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Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2006 043 139 A1 ist eine Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus der Abwärme eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, bekannt. Die Vorrichtung umfasst einen mit einem durch eine Abwärmequelle des Verbrennungsmotors gebildeten oberen Temperaturniveau in Verbindung stehenden Thermowandler zur Umwandlung eines Teils der von dem Verbrennungsmotor freigesetzten Abwärme in mechanische oder elektrische Energie. Dabei umfasst die die Abwärmequelle einen Abgasstrang und einen Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors. Der Thermowandler umfasst eine von einem Arbeitsmittel durchströmte Wärmekraftmaschine, wobei das Arbeitsmittel in einem, einen ein unteres Temperaturniveau bildenden Kondensator, einen das auf unterem Temperaturniveau flüssige Arbeitsmittel auf das Druckniveau des oberen Temperaturniveaus verdichtenden Arbeitsmittelverdichter, einen das obere Temperaturniveau bildenden, mit einer Abwärmequelle des Verbrennungsmotors in Verbindung stehenden Wärmetauscher, und die Wärmekraftmaschine umfassenden, geschlossenen Arbeitsmittelkreislauf zirkuliert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Abwärmenutzungsvorrichtung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Abwärmenutzungsvorrichtung gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Abwärmenutzungsvorrichtung umfasst einen zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses vorgesehenen Abwärmenutzungskreislauf. Der Abwärmenutzungskreislauf umfasst zumindest eine Fördereinheit zur Förderung eines flüssigen Arbeitsmediums, zumindest zwei Abwärmequellen zur Erwärmung und Verdampfung des Arbeitsmediums, zumindest eine Expansionsmaschine zur Expansion des verdampften Arbeitsmediums und einen Kondensator zum Kondensieren des expandierten Arbeitsmediums. Dabei ist der Abwärmenutzungskreislauf ein Kühlkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine und eine Abwärmequelle ist von der Verbrennungskraftmaschine gebildet und von dem Arbeitsmedium durchströmt.
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Erfindungsgemäß ist ein Arbeitsmedium-Austritt der Verbrennungskraftmaschine mittels einer Rückführung mit einem Arbeitsmedium-Eintritt der Verbrennungskraftmaschine fluidisch gekoppelt, wobei in der Rückführung eine Rückführungs-Fördereinheit zur Förderung zumindest eines Teils von aus dem Arbeitsmedium-Austritt austretendem Arbeitsmedium zum Arbeitsmedium-Eintritt angeordnet.
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Aufgrund der Förderung des erwärmten Arbeitsmediums vom Arbeitsmedium-Austritt der Verbrennungskraftmaschine zu deren Arbeitsmedium-Eintritt werden zu große Temperaturspreizungen und daraus folgend Temperaturdifferenzen an der Verbrennungskraftmaschine vermieden, so dass ein thermischer Verzug der Verbrennungskraftmaschine zumindest verringert und somit eine Dauerfestigkeit derselben erhöht werden kann. Weiterhin ist es in einfacher Weise möglich, in Kühlkanälen der Verbrennungskraftmaschine hinreichend große Wärmeübergangszahlen und hinreichend große Wärmestromdichten zu realisieren. Somit können Übertemperaturen an Komponenten der Verbrennungskraftmaschine wirkungsvoll vermieden werden.
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Somit ist mittels der Abwärmenutzungsvorrichtung eine Kraftstoffeinsparung für die Verbrennungskraftmaschine bei gleichzeitiger Senkung einer thermischen Belastung derselben realisierbar.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigt:
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1 schematisch ein Blockschaltbild einer Abwärmenutzungsvorrichtung.
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In der einzigen 1 ist ein Blockschaltbild eines möglichen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsvorrichtung 1 dargestellt.
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Die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 umfasst einen Abwärmenutzungskreislauf 2 und basiert auf einem geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess, beispielsweise auf einem so genannten Clausius-Rankine-Kreisprozess.
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Die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 ist insbesondere zur Nutzung von Abwärme in einem nicht gezeigten Kraftfahrzeug, beispielsweise in einem Nutzfahrzeug, vorgesehen. Dabei wird als Abwärmequelle 2.2 eine Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs verwendet, wobei die Abwärme Verlustwärme der Verbrennungskraftmaschine ist. Die weitere Abwärmequelle 2.3 umfasst einen thermisch mit einem Abgassystem der Verbrennungskraftmaschine gekoppelten Abgas-Wärmeübertrager.
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Der Abwärmenutzungskreislauf 2 umfasst eine Fördereinheit 2.1 zur Förderung eines flüssigen Arbeitsmediums AM, beispielsweise Wasser oder Ethanol, und die zwei Abwärmequellen 2.2, 2.3 zur Erwärmung und Verdampfung des Arbeitsmediums AM. Weiterhin umfasst der Abwärmenutzungskreislauf 2 zumindest eine Expansionsmaschine 2.4, beispielsweise eine Turbine zur Erzeugung mechanischer Energie durch Expandieren des verdampften Arbeitsmediums AM, und zumindest einen Kondensator 2.5 zum Kondensieren des expandierten Arbeitsmediums AM.
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Dabei ist der Abwärmenutzungskreislauf 2 ein Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine, wobei die Verbrennungskraftmaschine von dem Arbeitsmedium AM durchströmt wird.
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Während eines Betriebs des Abwärmenutzungskreislaufs 2 erfolgt in bekannter Weise mittels der Fördereinheit 2.1 eine insbesondere adiabate und isentrope Druckerhöhung des Arbeitsmediums AM, bevor diesem innerhalb der Abwärmequelle 2.2 isobar Wärme zugeführt wird. Diese Wärme ist Abwärme der Verbrennungskraftmaschine, welche von dem Arbeitsmedium AM durchströmt wird.
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Mittels der weiteren Abwärmequelle 2.3 wird anhand des Abgas-Wärmeübertragers ebenfalls eine isobare Erwärmung des bereits mittels der Verbrennungskraftmaschine erwärmten Arbeitsmediums AM durchgeführt, wobei die hierbei zugeführte Wärme Abwärme des Abgassystems der Verbrennungskraftmaschine ist, welches thermisch mit dem Abgas-Wärmeübertrager gekoppelt ist. Hierbei wird das Arbeitsmedium AM insbesondere zunächst bis zu einem Verdampfungspunkt erwärmt, anschließend isotherm verdampft und gegebenenfalls zusätzlich überhitzt.
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In möglichen Ausführungsbeispielen können in nicht näher dargestellter Weise noch weitere Abwärmequellen, insbesondere Verdampfer, zur Realisierung einer oder mehrerer so genannter Zwischenüberhitzungen vorgesehen sein.
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Anschließend wird das verdampfte Arbeitsmedium AM der Expansionsmaschine 2.4 zugeführt, mittels welcher eine insbesondere adiabat ausgebildete Expansion des dampfförmigen Arbeitsmediums AM durchgeführt wird. Die hierbei aus der Expansion resultierende und mittels der Expansionsmaschine 2.4 erzeugte mechanische Energie wird beispielsweise direkt zur Unterstützung der Verbrennungskraftmaschine beim Antrieb des Kraftfahrzeugs oder zum Antrieb weiterer Aggregate des Kraftfahrzeugs verwendet. Alternativ oder zusätzlich wird zumindest ein Teil der mechanischen Energie mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt, gespeichert und/oder unmittelbar zum Betrieb elektrischer Verbraucher des Kraftfahrzeugs verwendet.
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Nach der Expansion wird das expandierte oder entspannte Arbeitsmedium AM dem Kondensator 2.5 zugeführt, in welchem eine insbesondere isobar ausgebildete Kondensation des dampfförmigen Arbeitsmediums AM durch Kühlung erfolgt. Bei solchen Abwärmenutzungsvorrichtungen 1, bei welchen sowohl die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine als auch eine Abgasenthalpie für eine thermische Rekuperation genutzt werden, stellt die Umgebung eine tiefst mögliche Wärmesenke dar. Aus diesem Grund ist der Kondensator 2.5 ein luftgekühlter Wärmetauscher und ein Kühler für die Verbrennungskraftmaschine, wobei der Abwärmenutzungskreislauf 2 eine Temperierung der Verbrennungskraftmaschine übernimmt.
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Abwärmenutzungssysteme, welche die Abgasenthalpie verwerten, sind normalerweise auf einen gewissen Betriebsbereich limitiert. Dies liegt darin begründet, dass das Fahrzeugkühlsystem eine Engstelle oder einen ”Flaschenhals” bei einer Wärmeabfuhr darstellt. Das Fahrzeugkühlsystem ist dabei im Allgemeinen darauf ausgelegt, lediglich die im Fahrzeugkühlsystem befindliche Abwärme der Verbrennungskraftmaschine sowie von Nebenaggregaten dieser abzuführen. Eine im Abgas befindliche Wärmemenge wird bei einem konventionellen Kraftfahrzeug mit dem Abgasmassenstrom an die Umgebung abgeführt. Wird nun diese Abgaswärme zumindest teilweise in den Rekuperationskreislauf, d. h. in den Abwärmenutzungskreislauf 2, aufgenommen, so kann diese nur anteilig gewandelt werden und ein Überschuss wird direkt (bei Ausbildung einer Wärmesenke in einem luftgekühlten Wärmeübertrager) oder indirekt (bei Ausbildung einer Wärmesenke in einem existierenden Hochtemperaturkreislauf) über das Fahrzeugkühlsystem abgeführt. Dies ist aufgrund der nun in Summe aufgrund der Abwärme der Verbrennungskraftmaschine und der Abgaswärme deutlich größeren abzuführenden Wärmemenge nur in gewissen niedrig- bis mittellastigen Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine möglich. Bei einer Überschreitung einer maximal abzuführenden Wärmemenge wird im Allgemeinen eine Wärmezufuhr aus dem Abgassystem durch eine abgasseitige Bypassierung des Abgas-Wärmeübertragers eingestellt und das Kraftfahrzeug fällt aus einem Rekuperationsbetrieb in einen normalen Kühlungsbetriebsmodus zurück.
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Bei Abwärmenutzungssystemen dieser Art mit einer reinen Abgasrestwärmenutzung kann eine Regelung von Hauptbetriebsparametern des Abwärmenutzungskreislaufs 2 nach einigen wenigen Gesichtspunkten erfolgen. Hierunter fallen insbesondere ein angestrebter Dampfgehalt oder eine maximale Temperatur nach dem Abgas-Wärmeübertrager, eine optimale Drehzahl der Expansionsmaschine 2.4 sowie eine ausgetragene Wärmemenge am Kondensator 2.5 und ein sich damit einstellendes Niederdruckniveau.
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Eine Systemkomplexität sowie eine Anzahl von zu berücksichtigen Parametern erhöht sich stark, wenn das Abwärmenutzungssystem kein rein abgasgetriebenes Restwärmenutzungssystem ist, sondern die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine und somit direkt eine Umgebung als Wärmesenke nutzt. Ein solches Abwärmenutzungssystem mit einer indirekten Einbindung der Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise in
DE 10 2014 011 763 A1 beschrieben. Bei einer solchen Integration der Verbrennungskraftmaschine in einen Restwärmenutzungskreislauf muss durch diesen eine Wärmeabfuhr der Abwärme der Verbrennungskraftmaschine an die Umgebung in jedem Betriebspunkt sichergestellt sein. Dies trifft sowohl für einen Rekuperationslastfall als auch einen eigentlichen Kühlungslastfall zu, da zum Wärmeaustrag lediglich ein ”Zwischenschritt” über den Rekuperationskreislauf gemacht werden muss. Als ein zusätzlicher Regelungsparameter wird zusätzlich eine Sicherstellung des Austrags der Abwärme der Verbrennungskraftmaschine verwendet, welche in jedem Betriebsfall sichergestellt werden muss. Somit wird eine übergeordnete Regelungsgröße geschaffen, nämlich ein Arbeitsmedienmassenstrom und eine zu erzielende Temperatur nach einem Wärmeaustrag am Kondensator
2.5. Eine Temperatur eines Motorkühlmittels kann hierbei bei indirekter Einbindung der Verbrennungskraftmaschine auf einem bekannten, herkömmlichen Niveau gehalten werden.
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Für einen bestmöglichen Wärmeaustrag aus der Verbrennungskraftmaschine und einen verbesserten Übertrag der Abwärme der Verbrennungskraftmaschine ist – wie vorliegend – der Abwärmenutzungskreislauf 2 ein Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine, wobei die Verbrennungskraftmaschine von dem Arbeitsmedium AM durchströmt wird. Somit kann einen herkömmlichen Kühlkreislauf mit herkömmlicher Kühlflüssigkeit verzichtet werden.
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Im Gegensatz zur indirekten Einbindung der Verbrennungskraftmaschine wird diese bei der direkten Einbindung direkt von Arbeitsmedium AM durchströmt, so dass das Arbeitsmedium AM mit einer Temperatur nach der Fördereinheit 2.1 oder nach dem Kondensator 2.5 direkt in die Verbrennungskraftmaschine eintritt und nicht wie bei indirekten Systemen in einen zwischengeschalteten Wärmeübertrager. Da es aus thermodynamischer Sicht sinnvoll ist, ein möglichst großes Druckverhältnis zwischen einer Hochdruck- und einer Niederdruckseite im Abwärmenutzungskreislauf 2 zu erzeugen, was eine Kondensation des Arbeitsmediums AM bei möglichst tiefen Temperaturen bedingt, kann eine Eintrittstemperatur des Arbeitsmediums AM an einem Arbeitsmedium-Eintritt 2.2.1 der Verbrennungskraftmaschine durchaus deutlich niedriger als gewöhnlich ausfallen. Da zusätzlich viele Arbeitsmedien AM eine geringere Wärmekapazität als herkömmliches ”Kühlwasser” aufweisen und dennoch mit möglichst hoher Austrittstemperatur aus einem Arbeitsmedium-Austritt 2.2.2 der Verbrennungskraftmaschine austreten sollen, um am nachgeschalteten Abgas-Wärmeübertrager einen hinreichend großen Dampfanteil zu erzielen, kann es zu großen Temperaturspreizungen und nicht hinreichend großen Wärmeübergangszahlen oder nicht hinreichend großen lokalen Wärmestromdichten in Kühlkanälen des Verbrennungskraftmaschine kommen.
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Das heißt, bei einer solchen direkten Integration der Verbrennungskraftmaschine in Abwärmenutzungskreislauf 2 zur thermischen Rekuperation besteht ein Unterschied zwischen einem gewünschten Massenstrom des Arbeitsmediums AM und einem erforderlichen Massenstrom desselben, um eine hinreichend große Wärmestromdichte in Kühlkanälen des Verbrennungskraftmaschine zu realisieren. Soll eine abgegebene Wärmemenge sensibel von einem hinreichend großen Arbeitsmedienstrom aufgenommen werden, so dass noch ein nennenswerter Dampfgehalt am Abgas-Wärmeübertrager entsteht, reicht dieser Massenstrom nicht aus, um lokal benötigte Wärmeübertragungskoeffizienten in Kühlkanalstrukturen hervorzurufen. Darüber hinaus entstehen an der Verbrennungskraftmaschine sehr großen Temperaturdifferenzen zwischen dem Arbeitsmedium-Eintritt 2.2.1 und dem Arbeitsmedium-Austritt 2.2.2 der Verbrennungskraftmaschine.
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Große Temperaturdifferenzen an der Verbrennungskraftmaschine können zu einem thermischen Verzug der Verbrennungskraftmaschine führen und dessen Dauerfestigkeit negativ beeinflussen. Die geringen lokalen Wärmestromdichten können zu Übertemperaturen von Bauteilen der Verbrennungskraftmaschine führen und somit zu einem Ausfall derselben.
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Um diese Effekte der Temperaturdifferenzen und der geringen lokalen Wärmestromdichten mit geringem energetischen Aufwand deutlich zu verringern, ist der Arbeitsmedium-Austritt 2.2.2 der Verbrennungskraftmaschine mittels einer Rückführung 2.6 mit einem Arbeitsmedium-Eintritt 2.2.1 der Verbrennungskraftmaschine fluidisch gekoppelt, wobei in der Rückführung 2.6 eine Rückführungs-Fördereinheit 2.6.1 zur Förderung zumindest eines Teils von aus dem Arbeitsmedium-Austritt 2.2.2 austretendem Arbeitsmedium AM zum Arbeitsmedium-Eintritt 2.2.1 angeordnet ist.
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Die dabei als Umwälzpumpe arbeitende Rückführungs-Fördereinheit 2.6.1 und die Rückführung 2.6 bilden hierbei eine Art Mischkreis über die Verbrennungskraftmaschine. Dabei kann die Rückführungs-Fördereinheit 2.6.1 eine relativ geringe Leistung aufweisen, da diese lediglich einen massenstromanteiligen Druckverlust über der Verbrennungskraftmaschine ausgleichen muss, welcher im Vergleich zu einer Druckspreizung der Fördereinheit 2.1 sehr gering ausfällt.
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Mittels dieser zusätzlichen Umwälzung, d. h. einen Kurzschluss eines Teilmassenstroms des Arbeitsmediums über der Verbrennungskraftmaschine werden die Eintrittstemperatur des Arbeitsmediums an der Verbrennungskraftmaschine und die Temperaturdifferenz zwischen dem Arbeitsmedium-Eintritt 2.2.1 und dem Arbeitsmedium-Austritt 2.2.2 deutlich reduziert. Weiterhin wird dadurch eine Erhöhung des Massenstroms des Arbeitsmediums AM erhöht, so dass lokale Wärmeübergangszahlen und lokale abbildbare Wärmestromdichten entsprechend erhöht werden können. Eine über die Rückführung 2.6 rückgeführte Menge an Arbeitsmedium AM kann entsprechend den Eigenschaften der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden.
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Sobald jedoch eine von beiden Abwärmequellen 2.2, 2.3 in das Arbeitsmedium AM eingebrachte Wärmemenge eine Kühlleistung des Kondensators 2.5 übersteigt, erfolgt mittels einer zwischen dem Arbeitsmedium-Austritt 2.2.2 der Verbrennungskraftmaschine und einem Arbeitsmedium-Eintritt 2.5.1 des Kondensators 2.5 angeordneten schaltbaren Bypassleitung 2.7 eine Bypassierung der Abwärmequelle 2.3 und der Expansionsmaschine 2.4, so dass der Abwärmenutzungskreislauf 2 einen ”einfachen” Kühlkreislauf für die Verbrennungskraftmaschine bildet. Bei solchen hohen Lasten, bei denen ein Wärmeeintrag für die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 zu hoch ist, sind sehr hohe Wärmestromdichten zum Abtransport der Wärme in der Verbrennungskraftmaschine notwendig, welche von der Fördereinheit 2.1 allein nicht oder nur unzureichend darstellbar sind. Auch in solchen Betriebspunkten kann mittels der Rückführungs-Fördereinheit 2.6.1 eine Erhöhung des Massenstroms und der Wärmestromdichten erreicht werden. Zur Schaltung der Bypassleitung 2.7 ist ein Ventil 2.8 vorgesehen.
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In einer möglichen Ausgestaltung sind ein Pumpenkopf der Fördereinheit 2.1 und ein Pumpenkopf der Rückführungs-Fördereinheit 2.6.1 mit einer gemeinsamen Antriebswelle gekoppelt, so dass diese mittels einer gemeinsamen Antriebseinheit betrieben werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abwärmenutzungsvorrichtung
- 2
- Abwärmenutzungskreislauf
- 2.1
- Fördereinheit
- 2.2
- Abwärmequelle
- 2.2.1
- Arbeitsmedium-Eintritt
- 2.2.2
- Arbeitsmedium-Austritt
- 2.3
- Abwärmequelle
- 2.4
- Expansionsmaschine
- 2.5
- Kondensator
- 2.5.1
- Arbeitsmedium-Eintritt
- 2.6
- Rückführung
- 2.6.1
- Rückführungs-Fördereinheit
- 2.7
- Bypassleitung
- 2.8
- Ventil
- AM
- Arbeitsmedium
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006043139 A1 [0002]
- DE 102014011763 A1 [0025]
