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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Volumenausgleichsvorrichtung und einen Kältemittelkreislauf mit einer solchen Volumenausgleichsvorrichtung, insbesondere für eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs.
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Stand der Technik
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In Klimaanlagen werden Kältemittelkreisläufe betrieben, in welchen ein Kältemittel im Umlauf betrieben wird. Das Kältemittel wird dabei von einem Verdichter verdichtet. Nach dem Verdichter ist in Strömungsrichtung des Kältemittels betrachtet ein Kondensator oder Gaskühler vorgesehen, mittels welchem das Kältemittel im Hochdruckpfad abgekühlt wird. Anschließend wird das Kältemittel in einem Expansionsorgan entspannt, bevor es durch einen Verdampfer strömt und dort wieder durch Abkühlung von Luft erwärmt wird. Anschließend strömt das Kältemittel wieder zum Verdichter. Bei solchen Kältemittelkreisläufen ist üblicherweise auch ein Vorratsbehälter vorgesehen, in welchem ein Volumen des Kältemittels bevorrated und zwischengespeichert werden kann. Solche Kältemittelkreisläufe sind beispielsweise durch die
DE 10 2005 022 513 A1 , die
DE 102 58 524 A1 , die
DE 20 2011 109 322 A1 oder die
DE 10 2008 28 852 A1 bekannt geworden.
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Bei dem Kältemittel R744, auch als CO2 bekannt, sind die Drücke im Kältemittelkreislauf deutlich höher als bei anderen Kältemitteln, wie R134a oder R1234yf.
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Bei einem Kältemittelkreislauf mit R744 als Kältemittel soll der Stillstandsdruck im Kältemittelkreislauf durch VDA- oder SAE-Vorgaben begrenzt werden. Dabei soll ein Maximalwert von beispielsweise 90 bar bei beispielsweise T = 54°C nicht überschritten werden. Dieser Druck entspricht einer maximalen Dichte des Kältemittels von ca. 250g/l, was bei der Dimensionierung des Kältemittelkreislaufs zu berücksichtigen ist. Dazu ist das Volumen des Vorratsbehälters so groß zu dimensionieren, dass bei den erforderlichen Kältemittelmengen die maximalen Werte für den Druck im Stillstand des Kreislaufs nicht überschritten werden. Zur Absenkung des Maximalwerts im Stillstand wird derzeit das Volumen des Vorratsbehälters größer Dimensioniert als für den Betrieb des Kältekreislaufs nötig. Gleichzeitig muss bei diesem groß gewählten Volumen auch die nötige Füllmittelmenge auf das Volumen des Kreislaufs, auf den Betrieb und auch an die Leckagebevorratung angepasst werden. Dabei ist insbesondere die Bevorratung von Kältemitte für den Ausgleich von Leckageverlusten von Bedeutung für die Füllmenge des Kältemittels. Diese zusätzliche Füllmenge kann im Betrieb des Kältemittelkreislaufs flüssig bevorratet werden, was nur wenig zusätzliches Volumen benötigt. Im Stillstand des Kältemittelkreislaufs hingegen ist bei T = 54°C ein erhebliches zusätzliches Volumen notwendig, um den maximalen Druck von 90 bar nicht zu überschreiten. Dieses zusätzliche Volumen muss dann im Betrieb mit dampfförmigem Kältemittel gefüllt werden, was den Mehrbedarf an Kältemittel verursacht.
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Dies bedeutet, dass bei Kältemittelkreisläufen nach dem Stand der Technik eine höhere Füllmenge des Kältemittels verwendet wird, als sie eigentlich für den Betrieb und Leckagebevorratung notwendig wäre.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Volumenausgleichsvorrichtung und einen Kältemittelkreislauf mit einer Volumenausgleichsvorrichtung zu schaffen, welche bzw. welcher einfach aufgebaut ist, kostengünstig herstellbar ist und dennoch eine reduzierte Füllmenge des Kältemittelkreislaufs erlaubt.
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Diese Aufgabe zur Volumenausgleichsvorrichtung wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Volumenausgleichsvorrichtung mit einem Gehäuse mit einem definierten Innenvolumen, wobei das Gehäuse eine Anschlussöffnung aufweist, mittels welcher das Gehäuse mit einem fluidführenden Element eines Kältemittelkreislaufs verbindbar ist, wobei in dem Gehäuse ein Verschlusselement angeordnet ist, mittels welchem das mit dem Kältemittelkreislauf verbundene freie Innenvolumen des Gehäuses einstellbar ist. Durch das Verschlusselement, welches bevorzugt in dem Gehäuse verlagerbar angeordnet ist, wird das freie Innenvolumen definiert, welches mit dem Kältemittelkreislauf verbindbar ist. Dabei kann das Verschlusselement entweder das gesamte Innenvolumen des Gehäuses als freies Innenvolumen freigeben oder nur ein Teil davon als freies Innenvolumen freigeben oder kein Volumen freigeben. Somit kann über das Verschlusselement in Abhängigkeit seiner Stellung das freie Innenvolumen definiert werden, welches mit dem Kältemittelkreislauf verbindbar ist.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das freie Innenvolumen der Volumenausgleichsvorrichtung bis zu einer Druckbeaufschlagung des Verschlusselements unter einem vorgebbaren Schwellenwert einen ersten Volumenwert annimmt und bei einem Erreichen oder Überschreiten des Schwellenwerts kontinuierlich mit steigender Druckbeaufschlagung bis zu einem zweiten Volumenwert ansteigt. Dabei kann der erste Schwellenwert bevorzugt ein Druckwert von etwa 90 bar sein. Dabei ist, bei einem Druckwert der Druckbeaufschlagung unterhalb des Schwellenwerts von beispielsweise 90 bar, das freie Innenvolumen bevorzugt Null oder nimmt einen kleinen Wert an. Übersteigt der Druckwert den Schwellenwert, so nimmt das freie Innenvolumen zu, bevorzugt nimmt es linear zu.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das freie Innenvolumen der Volumenausgleichsvorrichtung bis zu einer Druckbeaufschlagung des Verschlusselements unter einem vorgebbaren Schwellenwert, beispielsweise von etwa 90 bar, einen ersten Volumenwert annimmt und bei einem Erreichen oder Überschreiten des Schwellenwerts sprungartig einen zweiten Volumenwert annimmt. So kann der Volumenwert von etwa Null auf den maximalen Wert sprungartig ansteigen.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn das Verschlusselement ein im Gehäuse verlagerbar angeordneter Kolben ist. Dieser ist bevorzugt an der Wandung des Gehäuses abgedichtet. Dieser kann vorteilhaft verlagert werden und gibt das freie Innenvolumen bevorzugt stetig wachsend oder sprunghaft frei.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das Verschlusselement eine im Gehäuse verlagerbar angeordnete Klappe ist. Diese kann vorteilhaft verlagert oder verschwenkt werden und sie gibt das freie Innenvolumen bevorzugt stetig wachsend oder sprunghaft frei.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn das Verschlusselement derart angeordnet ist, dass es die Anschlussöffnung öffnet oder verschließt, wobei das Verschlusselement ansteuerbar ist zum Öffnen oder Verschließen der Anschlussöffnung. Bevorzugt kann die Ansteuerung durch die Druckbeaufschlagung erfolgen. Alternativ kann die Ansteuerung auch elektronisch gesteuert mittels Aktuatoren erfolgen.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Verschlusselement entgegen der Kraft eines Kraftspeichers verlagerbar ist. Dabei kann je nach Auslegung des Kraftspeichers die Verlagerung des Verschlusselements ausgelegt werden.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das Verschlusselement mittels des Kraftspeichers unter Vorspannung gegen die Anschlussöffnung oder gegen einen Anschlag des Gehäuses beaufschlagt ist. Dadurch kann die Verlagerung des Verschlusselements ausgesetzt sein, bis die Vorspannung überwunden ist. Danach kann die Verlagerung linear oder progressiv oder degressiv ausgelegt sein.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn das Verschlusselement die Anschlussöffnung abgedichtet verschließt, wenn keine Druckbeaufschlagung insbesondere durch ein Kältemittel vorliegt.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das Verschlusselement im abgedichtet verschlossenen Zustand an einer Umrandung der Anschlussöffnung oder am Gehäuse derart anliegt, dass die Anschlussöffnung abgedichtet verschlossen ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Dichtelement an dem Verschlusselement und/oder an der Umrandung der Anschlussöffnung oder am Gehäuse angeordnet ist, um die Anschlussöffnung gegen das Verschlusselement oder um das Verschlusselement gegen das Gehäuse abzudichten. Dadurch kann das freie Innenvolumen entweder sprungartig vergrößert oder verkleinert werden oder stetig vergrößert bzw. verkleinert werden.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn der Kraftspeicher eine Feder, wie eine Schraubenfeder, Blattfeder, Spiralfeder oder ähnliches ist. Dadurch wird über die Lebensdauer eine gute Reproduzierbarkeit erreicht. Alternativ können auch andere Elemente als Kraftspeicher eingesetzt werden, wie beispielsweise Elastomerelemente.
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Alternativ ist es zweckmäßig, wenn der Kraftspeicher ein Faltenbalg ist. Dieser hat den Vorteil eine Rückstellkraft zu bewirken und gleichzeitig ein Volumen abgrenzen zu können.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn der Kraftspeicher sich einerseits an dem Verschlusselement und andererseits an dem Gehäuse abstützt. Dadurch wird eine einfache Anordnung mit gleichzeitiger unmittelbarer Rückwirkung erreicht.
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Diese Aufgabe zum Kältemittelkreislauf wird mit den Merkmalen von Anspruch 15 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter, einem Gaskühler oder Kondensator, einem Expansionsorgan und einem Verdampfer, die mittels einer Kältemittelfluidleitung miteinander kommunizieren, wobei eine Volumenausgleichsvorrichtung gemäß der Erfindung vorgesehen ist, die in Fluidverbindung mit dem Verdichter, dem Gaskühler oder dem Kondensator, dem Expansionsorgan und/oder dem Verdampfer des Kreislaufs oder mit der Kältemittelfluidleitung steht.
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Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Volumenausgleichsvorrichtung zwischen dem Expansionsorgan und dem Verdichter im Niederdruckpfad des Kreislaufs fluidverbunden ist.
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Weitere Vorteile werden durch die nachfolgenden Ausführungsbeispiele und die abhängigen Ansprüche angegeben.
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Kurze Beschreibung der Figuren der Zeichnung
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Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Kältemittelkreislaufs,
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2 eine schematische Darstellung eines weiteren Kältemittelkreislaufs,
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3 eine schematische Darstellung einer Volumenausgleichsvorrichtung in einer ersten Betriebsstellung, und
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4 eine schematische Darstellung der Volumenausgleichsvorrichtung in einer zweiten Betriebsstellung.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt einen Kältemittelkreislauf 1 mit einem Verdichter 2, einem diesem Verdichter 2 in Strömungsrichtung 3 des Kältemittels nachgeordneten Kondensator oder Gaskühler 4. Dem Gaskühler oder Kondensator 4 ist ein innerer Wärmeübertrager 5 optional nachgeschaltet. Diesem nachgeschaltet ist ein Expansionsorgan 6, wie ein Expansionsventil, vorgesehen. Nach dem Expansionsorgan 6 ist ein Verdampfer 7 nachgeschaltet, in welchem der Wärmetausch zwischen dem Kältemittel 8 und einer diesen Verdampfer durchströmenden Luft 9 stattfindet, so dass die Luft 9 abgekühlt wird.
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Dem Verdampfer 7 in Kältemittelströmungsrichtung nachgeordnet ist wiederum der innere Wärmeübertrager 5 zum Wärmetausch zwischen dem zum Verdampfer 7 führenden Kältemittelstrom und dem vom Verdampfer weg führenden Kältemittelstrom. Von dem inneren Wärmeübertrager 5 strömt das Kältemittel wieder zum Verdichter 2 zurück.
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Das Expansionsorgan 6 ist bevorzugt ein elektronisch gesteuertes Expansionsventil oder ein druckgesteuertes Expansionsventil oder alternativ ggf. auch ein thermisch gesteuertes Expansionsventil mit einem Sensor 10, der nach dem Verdampfer oder an dessen Ausgang angeordnet ist.
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Weiterhin ist im Kältemittelkreislauf 1 eine Volumenausgleichsvorrichtung 11 angeordnet, welche einen Volumenausgleich erlaubt, um den Druck im Kältemittelkreislauf 1 zu begrenzen. Die Volumenausgleichsvorrichtung 11 ist bevorzugt im Niederdruckpfad zwischen dem Expansionsorgan 6 und dem Verdichter 2 angeordnet. Optional ist die Volumenausgleichsvorrichtung 11 vor oder nach dem Verdampfer 7 angeordnet. Alternativ kann die Volumenausgleichsvorrichtung 11 aber auch im Hochdruckpfad angeordnet sein, wie beispielsweise am Gaskühler 4 oder im Sammler. Die jeweiligen Aggregate des Kältemittelkreislaufs sind mittels der Kältemittelleitung 12 miteinander verbunden.
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Weiterhin kann ein Sammler 13 vorgesehen sein, welcher beispielsweise gemäß der 1 im Fluidstrom des Kältemittels nach dem Verdampfer 7 angeordnet sein kann. Dabei kann der Sammler auch alternativ beispielsweise nach dem Kondensator 4 angeordnet werden oder in diesen integriert werden.
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Die 2 zeigt einen weiteren Kältemittelkreislauf 1, bei dem die Volumenausgleichsvorrichtung 11 zwischen Verdampfer 7 und innerem Wärmeübertrager 5 angeordnet ist. Auch kann gemäß 2 ein Sammler 13 vorgesehen sein, welcher beispielsweise im Fluidstrom des Kältemittels nach dem Verdampfer 7 angeordnet sein kann. Dabei kann der Sammler auch alternativ beispielsweise nach dem Kondensator 4 angeordnet werden oder in diesen integriert werden.
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Die 3 und 4 zeigen in einer schematischen Darstellung eine Volumenausgleichsvorrichtung 20. Die Volumenausgleichsvorrichtung 20 ist mit einer Kältemittelleitung 21 fluidverbunden angeordnet. Dabei steht die Kältemittelleitung 21 stellvertretend für den Kältemittelkreislauf 1.
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Die Volumenausgleichsvorrichtung 20 weist ein Gehäuse 22 auf, das ein definiertes Innenvolumen 23 aufweist. Dabei kann ein freies Innenvolumen 24 als Volumenanteil des gesamten Innenvolumens 23 mit dem Kältemittelkreislauf 1 verbunden werden. Das Gehäuse 22 weist eine Anschlussöffnung 25 auf, mittels welcher das Gehäuse 22 mit einem fluidführenden Element, wie einer Kältemittelleitung oder ein anderes Aggregat des Kältemittelkreislaufs 1, verbindbar ist. In dem Gehäuse 22 ist weiterhin ein Verschlusselement 26 angeordnet; welches in dem Gehäuse 22 verlagerbar ist. Mit dem Verschlusselement 26 wird das mit dem Kältemittelkreislauf 1 verbundene freie Innenvolumen 24 des Gehäuses 22 eingestellt bzw. gesteuert.
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Gemäß der Erfindung wird das freie Innenvolumen 24 der Volumenausgleichsvorrichtung 20 in einer ersten Ausführungsform der Erfindung bis zu einer Druckbeaufschlagung des Verschlusselements 26 unter einem vorgebbaren Schwellenwert des Drucks einen ersten Volumenwert annimmt und bei einem Erreichen oder Überschreiten des Schwellenwerts kontinuierlich mit steigender Druckbeaufschlagung bis zu einem zweiten Volumenwert ansteigt. Dies wird dadurch bewirkt, dass das Verschlusselement 26 mittels eines Kraftspeichers 27 beaufschlagt wird und durch Druckbeaufschlagung des Verschlusselements 26 die Verlagerung des Verschlusselements entgegen der Rückstellkraft des Kraftspeichers 27 erfolgt. Ist der Kraftspeicher zwischen Gehäuse 22 und Verschlusselement mit Vorspannung verspannt, so kann die Druckbeaufschlagung bis zu einem Schwellenwert steigen, bevor das Verschlusselement verlagert wird. Danach kann mit weiterem Ansteigen des Drucks das Verschlusselement stetig verlagert werden.
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Alternativ kann das freie Innenvolumen 24 der Volumenausgleichsvorrichtung 20 bis zu einer Druckbeaufschlagung des Verschlusselements 26 unter einem vorgebbaren Schwellenwert einen ersten Volumenwert annimmt und bei einem Erreichen oder Überschreiten des Schwellenwerts sprungartig einen zweiten Volumenwert annimmt.
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In den Ausführungsbeispielen der 3 und 4 ist das Verschlusselement 26 als ein im Gehäuse 22 verlagerbar angeordneter Kolben ausgebildet. Dieser ist am Gehäuse verlagerbar abgedichtet und im Gehäuse 22 verlagerbar geführt. In 3 ist das Volumenausgleichselement 20 in einer Betriebsstellung gezeigt, in welcher das freie Innenvolumen 24 Null ist oder gering ist. Der Druck auf das Verschlusselement ist dabei geringer als der Schwellenwert. In 4 ist das Volumenausgleichselement 20 in einer Betriebsstellung gezeigt, in welcher das freie Innenvolumen 24 einen mittleren Wert annimmt. Der Druck auf das Verschlusselement ist dabei höher als der Schwellenwert. Das Verschlusselement ist in einer mittleren Stellung im Gehäuse 22.
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Alternativ kann das Verschlusselement 26 auch als eine im Gehäuse verlagerbar angeordnete Klappe ausgebildet sein.
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Gemäß der 3 und 4 ist das Verschlusselement 26 als Kolben derart angeordnet, dass es die Anschlussöffnung 25 öffnet oder verschließt, wobei das Verschlusselement 26 ansteuerbar ist zum Öffnen oder Verschließen der Anschlussöffnung 25.
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Ist die Volumenausgleichsvorrichtung in der Betriebsstellung der 3, so verschließt das Verschlusselement 26 die Anschlussöffnung 25 bevorzugt abgedichtet, wenn keine oder nur eine geringe Druckbeaufschlagung durch das Kältemittel vorliegt. Dabei liegt das Verschlusselement 26 im abgedichtet verschlossenen Zustand an einer Umrandung der Anschlussöffnung 25 oder am Gehäuse 22 derart an, dass die Anschlussöffnung 25 abgedichtet verschlossen ist. Hierfür ist ein Dichtelement vorgesehen, das an dem Verschlusselement und/oder an der Umrandung der Anschlussöffnung oder am Gehäuse angeordnet ist, um die Anschlussöffnung gegen das Verschlusselement oder um das Verschlusselement gegen das Gehäuse abzudichten.
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Der in den 3 und 4 schematisch dargestellte Kraftspeicher 27 ist bevorzugt eine Feder, wie eine Schraubenfeder, Blattfeder, Spiralfeder oder ähnliches. Alternativ oder zusätzlich kann der Kraftspeicher auch als ein Faltenbalg ausgebildet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005022513 A1 [0002]
- DE 10258524 A1 [0002]
- DE 202011109322 A1 [0002]
- DE 10200828852 A1 [0002]
