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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Baugruppe für einen Kompressor, insbesondere einen variablen Hubkolbenkompressor, zum Beispiel einen Kältemittelverdichter, insbesondere in einem Automobil, welche einen Fluidfluss zwischen einem Hochdruckbereich und einem Kurbelraumdruckbereich, sowie zwischen dem Kurbelraumdruckbereich und einem Saugdruckbereich des Kompressors regelt.
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Sowohl der Aufbau als auch die Funktionsweise von Kältemittelverdichtern, insbesondere von variablen Hubkolbenkompressoren, ist dem Fachmann bekannt, z. B. aus:
DE 10 2011 117 354 A1 . In einem Kurbelgehäuse eines Kältemittelverdichters ist eine Vielzahl an Kolben angeordnet, um Kältemittel von einer Saugdruckkammer in eine Hochdruckkammer zu pumpen. Die Bewegung der Kolben wird dabei durch eine rotierende Taumelscheibe geführt, wie aus der folgenden Beschreibung deutlich wird.
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Weist die z. B. über einen Riemenantrieb in Rotation versetzte Taumelscheibe einen von Null verschiedenen Kippwinkel auf, führt dies zu einer axialen Hubbewegung der Kolben während einer Umdrehung der Taumelscheibe um ihre Drehachse. Dabei wird Kältemittel von der Saugdruckkammer des Kältemittelverdichters angesaugt und in die Hochdruckkammer gepumpt.
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Die Saugdruckkammer ist mit dem saugdruckseitigen Anschluss des Kältemittelverdichters verbunden, welcher seinerseits im montierten Zustand im Kraftfahrzeug mit dem Saugdruckbereich des Klimakreis, d. h. insbesondere mit dem Ausgang des Verdampfers verbunden ist. Die Hochdruckkammer ist mit dem hochdruckseitigen Ausgang des Kältemittelverdichters verbunden, der seinerseits mit dem Hochdruckbereich des Klimasystems, insbesondere über einen Wärmetauscher (Kondensator) und ein Expansionsventil, mit dem Eingang des Verdampfers verbunden ist.
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Zur Anpassung des Fördervolumens, insbesondere zur Steuerung des Kältemittelflusses, ist es bereits bekannt den Kippwinkel der Taumelscheibe in dem Kältemittelverdichter zu variieren. Ist beispielsweise der Kältemittelverdichter für ein maximales Fördervolumen voreingestellt, bewirkt ein Verkleinern des Neigungswinkels der Taumelscheibe eine Verringerung der axialen Hubbewegung der Kolben des Kältemittelverdichters und damit eine Reduktion des Fördervolumens.
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Weiterhin bekannt ist es eine derartige Steuerung des Kältemittelflusses durch ein Steuerventil vorzunehmen. Dabei wird mit dem Steuerventil der Kältemittelfluss zwischen dem Hochdruckbereich und dem Kurbelraumdruckbereich gesteuert.
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Das Ventil ist mit zwei Anschlüssen im Ventilgehäuse versehen, die mit dem Hochruckbereich, und dem Kurbelraumdruckbereich des Kältemittelverdichters verbunden sind. Das Ventil steuert den Kältemittelfluss zwischen dem Hochdruckbereich und dem Kurbelraumdruckbereich.
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Öffnet beispielsweise das Ventil, in einer ersten Stellung, die Verbindung zwischen dem Hochdruckbereich und dem Kurbelraumdruckbereich des Kältemittelverdichters, strömt Kältemittel durch das Regelventil von dem Hochdruckbereich in den Kurbelraumdruckbereich; es kommt zu einem Druckanstieg im Kurbelraumdruckbereich.
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Durch den per Ventil gesteuerten Druckanstieg im Kurbelraumdruckbereich wird ein Zurückschwenken der Taumelscheibe bewirkt. Damit verringert sich die axiale Hubbewegung der Kolben des Kältemittelverdichters und das Fördervolumen des Kältemittelverdichters wird reduziert. Folglich steigt der Druck im Hochdruckbereich des Klimasystems nicht weiter an.
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Schließt das Ventil, in einer weiteren, zweiten Stellung, die Verbindung zwischen dem Hochdruckbereich und dem Kurbelraumdruckbereich des Kältemittelverdichters, strömt Kältemittel durch die im Kältemitteverdichter vorhandene, permanent geöffnete Passage (ein sogenannter „bleedport”) von dem Kurbelraumdruckbereich in den Saugdruckbereich; es kommt zu einem Druckabfall im Kurbelraumdruckbereich.
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Durch den per Ventil gesteuerten Druckabfall im Kurbelraumdruckbereich wird ein Ausschwenken (d. h. Kippen) der Taumelscheibe bewirkt. Damit vergrössert sich die axiale Hubbewegung der Kolben des Kältemittelverdichters und das Fördervolumen des Kältemittelverdichters wird erhöht.
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Gewöhnlicher Weise wird die Taumelscheibe per Federspannung in gekippter Ausgangsstellung gehalten, sodass bei einem späteren Druckabfall im Kurbelraumdruckbereich die Taumelscheibe wieder in die Ausgangsstellung schwenkt und für eine Ausgangsstellung bezüglich des Fördervolumens im Kältemittelverdichter sorgt.
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Für die Reduktion des Fördervolumens des Kältemittelverdichters bedarf es in dem gewöhnlichen Kältemittelverdichter Kältemittel mit ausreichend hohem Druck im Hochdruckbereich. Nur bei ausreichend hohem Druck strömt dieses Kältemittel per Öffnen des Ventils von dem Hochdruckbereich in den Kurbelraumdruckbereich und sorgt dort für die Reduktion des Fördervolumens.
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Jedoch ist Kältemittel mit ausreichend hohem Druck im Hochdruckbereich nur dann verfügbar, wenn der Kältemittelverdichter zumindest zeitweise Kältemittel fördert, d. h. der Kältemittelverdichter muss zwischenzeitlich im Förderbetrieb, also mit ausgeschwenkter (d. h. gekippter) Taumelscheibe, betrieben werden, damit Kältemittel von dem Saugdruckbereich in den Hochdruckbereich gefördert wird und dort einen Druckanstieg bewirkt.
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In anderen Worten kann ein derartiger Kältemittelverdichter nur für eine begrenzte Zeit in einem Zustand betrieben werden in der das Fördervolumen an Kältemittel verringert oder die Förderung an Kältemittel ganz unterbunden ist. Vielmehr bedarf es eines zwischenzeitlichen Förderbetriebes um anschließend den Kältemittelverdichter im Leerlaufbetrieb, d. h. ohne Fördervolumen zu betreiben.
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Dementsprechend ist der Betrieb des Kältemittelverdichters gerade im Leerlaufbetrieb ineffizient.
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Die zugrunde liegende Erfindung stellt sich die Aufgabe den Betrieb eines Kompressors mit einer Baugruppe derart zu verbessern, dass der Kompressor effizient betrieben werden kann, sogar in einem Teillastbereich, also z. B. in einem Zustand in dem das Fördervolumen verringert oder die Förderung von Kältemittel ganz unterbunden ist.
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Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung eine einfache und kostengünstige Möglichkeit der Bestimmung des Fördervolumens, und/oder der eines Kolbenhubs und/oder der Drehgeschwindigkeit und/oder des Kippwinkels der Taumelscheibe des Kältemittelverdichters anzugeben.
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Die beiden vorstehenden Aufgaben können, vorteilhafter Weise, miteinander in einem Kompressor kombiniert werden und werden mit der Erfindung gelöst. Jedoch können die beiden Aufgaben auch unabhängig voneinander gelöst werden, ihnen liegen dann unterschiedliche Erfindungen zu Grunde, die beide auch unabhängig voneinander zu einer entsprechenden Verbesserung eines gewöhnlichen Kältemittelverdichters führen
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Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einige Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. Es zeigen:
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1a, 1b und 1c zeigen unterschiedliche perspektivische Ansichten bzw.
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Schnittbilder einer erfindungsgemäßen Baugruppe für einen Kältemittelverdichter gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2a, 2b und 2c zeigen unterschiedliche perspektivische Ansichten bzw. Schnittbilder einer weiteren erfindungsgemäßen Baugruppe 200 für einen Kältemittelverdichter gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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3a und 3b zeigen unterschiedliche Schnittbilder eines erfindungsgemäßen Sensorsystems für einen Kältemittelverdichter gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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4a und 4b zeigen unterschiedliche Schnittbilder eines erfindungsgemäßen Sensorsystems für einen Kältemittelverdichter gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
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5a und 5b zeigen unterschiedliche Schnittbilder eines erfindungsgemäßen Sensorsystems für einen Kältemittelverdichter gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
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Mit Bezug auf die 1a, 1b, und 1c soll nachfolgend zunächst das allgemeine erfinderische Prinzip der Baugruppe 100 für einen Kältemittelverdichter, insbesondere in einem Automobil, zum Optimieren eines Kältemittelflusses von einem Hochdruckbereich über einen Kurbelraumdruckbereich in einen Saugdruckbereich während des Betriebes des Kältemittelverdichters näher erläutert werden.
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In 1a, 1b, und 1c zeigt unterschiedliche perspektivische Ansichten bzw. Schnittbilder einer erfindungsgemäßen Baugruppe 100 für einen Kältemittelverdichter gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Weiterbildungen der Baugruppe und Ausführungsbeispiele der einzelnen Bestandteile der Baugruppe werden in Verbindung mit der Beschreibung näher erläutert.
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Die Baugruppe 100 steuert einen Kältemittelfluss von einem Hochdruckbereich Pd in einen Kurbelraumdruckbereich Pc eines Kältemittelverdichters (nur ein Gehäuseabschnitt gezeigt). Dazu umfasst die Baugruppe ein erstes elektrisches Regelventil 102.
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Das erste elektrische Regelventil 102 weist ein mit Anschlüssen 104, 106 für den Hochdruckbereich Pd und für den Kurbelraumdruckbereich Pc versehenes Ventilgehäuse 108 auf. Die Anschlüsse 104, 106 des ersten Regelventils 102 kommunizieren im verbauten Zustand mit dem Hochdruckbereich Pd bzw. Kurbelraumdruckbereich Pc des Kältemittelverdichters.
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In einem Ausführungsbeispiel stellt das Ventilgehäuse 108 des Regelventils 102 bereits in unverbautem Zustand die entsprechenden Anschlüsse 104, 106 bereit. Alternativ, sind diese Anschlüsse 104, 106 in Form von Bohrungen in dem Abschnitt des Gehäuses des Kältemittelverdichters ausgebildet, der als das erste Regelventil 102 in verbautem Zustand aufnimmt. Dabei wird das Ventilgehäuse 108 auch durch den Abschnitt des Kältemittelverdichtergehäuses mit gebildet.
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Weiterhin weist das erste Regelventil 102 einen innerhalb des Ventilgehäuses 108 angeordneten und zwischen zwei Endstellungen verfahrbaren Ventilkörper 110 auf. Je nach Stellung verbindet, trennt oder teilweise verbindet der Ventilkörper 110 die beiden Bereiche, namentlich den Hochdruckbereich Pd und den Kurbelraumdruckbereich Pc.
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Folglich strömt in einer ersten maximal geöffneten Stellung des Ventilkörpers 110 des ersten Regelventils 102 eine maximale Menge von Kältemittel von dem Hochdruckbereich Pd in den Kurbelraumdruckbereich Pc. In einer geschlossenen, zweiten Endstellung des Ventilkörpers 110 wird jeglicher Kältemittelfluss zwischen den zwei Bereichen des ersten Regelventils 102 unterbunden. Das Regelventil 102 kann auch beliebige Stellungenzwischen den beiden Endstellungen annehmen in denen dann der Kältemittelfluss entsprechend dosiert oder geregelt wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Regelventils 102, kann der Ventilkörper 110 innerhalb des Ventilgehäuses 108 auch weitere, zwischen den Endstellungen liegende Stellungen einnehmen.
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Folglich, nimmt der Ventilkörper 110 nicht nur die zwei Stellungen ein, in denen der Hochdruckbereich Pd und der Kurbelraumdruckbereich Pc miteinander verbunden oder voneinander getrennt ist, sondern auch weitere Stellungen ein, in denen der Hockdruckbereich Pd und der Kurbelraumdruckbereich Pc zwar miteinander verbunden, jedoch der Durchfluss an Kältemittel beschränkt ist.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst der Ventilkörpers 110 einen Absperrkörper (oder Dichtungskörper) 112 der nadelförmig, tellerförmig, kolbenförmig, kegelförmig oder kugelförmig ausgebildet ist. In dem illustrierten Ausführungsbeispiel ist der Absperrkörper nadelförmig ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße Baugruppe 100 steuert weiterhin einen Kältemittelfluss von dem Kurbelraumdruckbereich Pc in einen Saugdruckbereich Ps des Kältemittelverdichters. Dazu umfasst die Baugruppe 100 zusätzlich ein zweites elektrisches Regelventil 116 Das zweite elektrische Regelventil 116 ist mit Anschlüssen 118, 120 für den Kurbelraumdruckbereich Pc und für den Saugdruckbereich Ps ausgestattet. Die Anschlüsse 118, 120 des zweiten Regelventils 116 kommunizieren im verbauten Zustand mit dem Kurbelraumdruckbereich Pc bzw. dem Saugdruckbereich des Kältemittelverdichters.
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Obige Ausführungen zu dem ersten Regelventil 102 gelten in entsprechender Anwendung auch für das zweite Regelventil 116, sodass dieses je nach Stellung eines innerhalb eines Ventilgehäuses angeordneten und zwischen zwei Stellungen verfahrbaren Ventilkörpers den Kurbelraumdruckbereich Pc und den Saugdruckbereich Ps entweder miteinander verbindet oder voneinander trennt oder teilweise voneinander trennt.
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Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Baugruppe 100 eine elektrische Regeleinrichtung (nicht gezeigt). Diese Regeleinrichtung regelt das erste elektrische Regelventil 102 und das zweite elektrische Regelventil 116 und kann in Form eines Prozessors, eines Microcontrollers, eines Field-Programmable-Gate-Array (FPGA), oder eines andersartigen Rechenwerkes gebildet sein. Die Regeleinrichtung kann auch noch weitere Teile umfassen, wie zum Beispiel einen Treiber für den Aktuator etc.
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Die elektrische Regeleinrichtung regelt, während des Betriebes des Kältemittelverdichters, über die Stellung des Ventilkörpers 110 des ersten Regelventils 102 einen Kältemittelfluss zwischen Hochdruckbereich Pd und einem Kurbelraumdruckbereich Pc. Dazu übermittelt die elektrische Regeleinrichtung ein (elektrisches) Signal an das erste elektrische Regelventil 102, dass die entsprechende Stellung des Ventilkörpers 110 vorgibt.
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Weiterhin steuert die elektrische Regeleinrichtung, während des Betriebes des Kältemittelverdichters, über die Stellung des Ventilkörpers des zweiten Regelventils den Kältemittelfluss zwischen dem Kurbelraumdruckbereich Pc und den Saugdruckbereich Ps. Dazu übermittelt die elektrische Regeleinrichtung ein (elektrisches) Signal an das erste elektrische Regelventil 116, dass die entsprechende Stellung des Ventilkörpers vorgibt.
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Vorteilhafter Weise erfolgt die Steuerung des zweiten Ventilkörpers 116 durch die erfindungsgemäße elektrische Regeleinrichtung in Abhängigkeit von der Ansteuerung des ersten Regelventils 102, d. h. die Stellung des Ventilkörpers des zweiten Regelventils ist auf die Stellung des Ventilkörpers des ersten Regelventils abgestimmt.
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Diese abhängige Ansteuerung des zweiten Regelventils 116 erfolgt während des Betriebes des Kältemittelverdichters, also sowohl während des Förderbetriebes als auch während des Leerlaufbetriebes des Kältemittelverdichters.
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Im Förderbetrieb fördert der Kältemittelverdichter Kältemittel von dem Saugdruckbereich Ps in den Hochdruckbereich Pd.
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Dazu steuert die Regeleinrichtung die Stellung des ersten Regelventils 102 so, dass der Hochdruckbereich Pd von dem Kurbelraumdruckbereich Pc getrennt ist. Kältemittel strömt in dieser Stellung nicht in den Kurbelraumdruckbereich Pc.
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Gleichzeitig steuert die Regeleinrichtung die Stellung des zweiten Regelventils 116 so, dass der Kurbelraumdruckbereich Pc mit dem Saugdruckbereich Ps verbunden ist. Das noch in dem Kurbelraumdruckbereich befindliche Kältemittel strömt in dieser Stellung in den Saugdruckbereich Ps.
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Dazu regelt die Regeleinrichtung die Stellung des ersten Regelventils 102 so, dass der Hochdruckbereich Pd mit dem Kurbelraumdruckbereich Pc verbunden ist. Kältemittel strömt in dieser Stellung in den Kurbelraumdruckbereich Pc, sodass die Taumelscheibe in eine nicht-gekippte Stellung zurückschwenkt.
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Gleichzeitig steuert die Regeleinrichtung die Stellung des zweiten Regelventils 116 so, dass der Kurbelraumdruckbereich Pc von dem Saugdruckbereich Ps getrennt ist. Das in dem Kurbelraumdruckbereich befindliche Kältemittel strömt in dieser Stellung nicht in den Saugdruckbereich Ps; gleichzeitig kann die Taumelscheibe aber auch nicht in die gekippte Ausgangsstellung ausschwenken und verbleibt in der nicht-gekippten Stellung.
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Somit wird durch die erfindungsgemäße Regelung mit der Regeleinrichtung ein Effizienzgewinn im Betrieb des Kältemittelmittelverdichters realisiert. Die konstruktionsbedingten Nachteile eines herkömmlichen Kältemittelverdichters werden durch die Erfindung kompensiert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Baugruppe eine erste elektrische Schnittstelle (nicht gezeigt), über die eine Kälteleistung für das Kältemittel im Betrieb (d. h. Förderbetrieb oder Leerlaufbetrieb) des Kältemittelverdichters vorgegeben wird. Dabei ist die elektrische Regeleinrichtung derart angepasst, dass sie in Abhängigkeit von dem über die erste elektrische Schnittstelle vorgegebenen Kälteleistung das erste und zweite Regelventil 102, 116 geregelt wird.
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In einer beispielhaften Ausgestaltung der Baugruppe 100 entsprechend der vorstehenden Weiterbildung ist die erste elektrische Kommunikationsschnittstelle vorgesehen, über die die Kälteleistung vorgegeben wird, als Controller Area Network, CAN, Datenbus ausgebildet ist.
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Weitere Ausführungsbeispiele der ersten elektrischen Schnittstelle umfassen eine Ausgestaltung, über die die Kälteleistung vorgegeben wird, als einen Serial Peripheral Interface (SPI) Datenbus, als einen Inter-Integrated Circuit (12C) Datenbus, als einen Local Interconnect Network (LIN), Datenbus.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Baugruppe 100 eine zweite elektrische Schnittstelle über die die Baugruppe mit Spannung versorgt wird. Die zweite elektrische Schnittstelle kann separat oder in die erste elektrische Schnittstelle integriert sein.
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In einer nächsten vorteilhaften Weiterbildung der Baugruppe 100 umfasst wenigstens eines der ersten und zweiten elektrischen Regelventile 102, 116 einen Stellantrieb 114, der den entsprechenden Ventilkörper zwischen den zwei Stellungen verfährt. Ausführungsbeispiele des elektrischen Stellantriebes 114 umfassen einen Schrittmotor, ein Gleichstrommotor, einen Servomotor, elektrischen Hubmagneten und einen piezoelektrischen Antrieb.
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In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Baugruppe 100 einen ersten Drucksensor 162, der einen Wert des Hochdruckes in dem Hochdruckbereich Pd ermittelt; und/oder einen zweiten Drucksensor 124, der einen Wert des Saugdruckes in dem Saugdruckbereich Ps ermittelt.
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Dabei ist die elektrische Regeleinrichtung derart angepasst ist, dass in Abhängigkeit von dem ermittelten Wert des Hochdruckes und/oder des Saugdruckes das erste und zweite Regelventil 102, 116 angesteuert wird.
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In einer zusätzlichen vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Baugruppe 100 einen ersten Temperatursensor 126, der einen Wert einer Temperatur des Kältemittels in dem Hockdruckbereich Pd ermittelt; und/oder einen zweiten Temperatursensor 128, der einen Wert einer Temperatur des Kältemittels in dem Saugdruckbereich ermittelt. Dabei ist die elektrische Regeleinrichtung derart angepasst, dass in Abhängigkeit von dem ermittelten Temperaturwert des Kältemittels in dem Hochdruckbereich Pd und/oder dem Saugdruckbereich Ps, das erste und zweite Regelventil 102, 116 angesteuert wird.
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Von den Sensoren 122, 124, 126, und 128 werden der Wert des Saugdruckes, der Wert des Hochdruckes, der Wert der Temperatur in dem Saugdruckbereich und der Wert der Temperatur in dem Hochdruckbereich bereitgestellt. Von der elektrischen Regeleinrichtung können diese Werte zur Ermittlung des Massenstromes im Kältemittelkreislauf eingesetzt werden.
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Für eine Berechnung des Massenstromes lassen sich folgende Vorteile nennen: Mit Hilfe des Massenstromes kann das Drehmoment des Kältemittelverdichters berechnet werden. Ist das aktuelle bzw. zukünftige Drehmoment des Kältemittelverdichters bekannt, kann die Einspritzmenge im Automobil genauer abgestimmt werden, was zu Kraftstoffeinsparungen und damit zu CO2 Reduzierungen führt.
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Des Weiteren kann bei geregelten Riemenspannern im Automobil die Riemenspannung bei bekanntem Drehmoment entsprechend dem Bedarf eingestellt werden. Dies ist von Vorteil, da Reibkräfte reduziert werden und die Lebensdauer der Riemenlager erhöht wird.
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In einer möglichen Ausführung der Baugruppe 100 ist die elektrische Regeleinrichtung derart angepasst, dass wenn der Kältemittelverdichter außer Betrieb ist (d. h. weder im Förderbetrieb noch im Leerlaufbetrieb ist), jeweils das erste und das zweite Regelventil 102, 116 derart angesteuert wird, dass der Ventilkörper des ersten 110 und des zweiten Regelventils 102, 116 gleichzeitig eine Stellung einnehmen in der die entsprechenden Hochdruck- und Saugdruckbereiche über den Kurbelraumdruckbereich miteinander verbunden sind.
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Ein effizienterer Betrieb des Kältemittelverdichters ist möglich. Die konstruktionsbedingten Nachteile eines herkömmlichen Kältemittelverdichters werden durch die Erfindung kompensiert.
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In 2a, 2b, und 2c sind unterschiedliche perspektivische Ansichten bzw. Schnittbilder einer weiteren erfindungsgemäßen Baugruppe 200 für einen Kältemittelverdichter eines zweiten Ausführungsbeispiels dargestellt. Diese Baugruppe 200 umfasst, wie bereits in Zusammenhang mit 1a, 1b, und 1c erläutert, ebenfalls ein erstes Regelventil 102, ein zweites Regelventil 116 und eine elektrische Regeleinrichtung (nicht gezeigt). Auf entsprechende detaillierte Ausführungen dazu wird an dieser Stelle nur verwiesen.
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Die Baugruppe 200 unterscheidet sich einzig in ihrer Anordnung in Bezug auf den Abschnitt des Kältemittelverdichtergehäuses. Hierbei ist eine vertikale Anordnung der Baugruppe 200 in Bezug auf das gewählt Kältemittelverdichtergehäuses und nicht, wie in Verbindung mit Baugruppe 100 dargestellt, eine horizontale Anordnung. Dabei kann auf vorteilhafte Weise die Bautiefe des Kältemittelverdichters mit der Baugruppe 200 in verbautem Zustand reduziert werden.
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Mit Bezug auf die 3a und 3b soll nachfolgend zunächst das allgemeine erfinderische Prinzip der Sensorsystems 300 zur Bestimmung einer Drehgeschwindigkeit und eines Kippwinkels einer Taumelscheibe in einem Kältemittelverdichter, insbesondere in einem Automobil, näher erläutert werden.
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In den 3a und 3b ist ein erfindungsgemäßes Sensorsystem 300 in Verbindung mit einem Kältemittelverdichter dargestellt. Weiterbildungen des Sensorsystems und Ausführungsbeispiele der einzelnen Bestandteile des Sensorsystems werden in Verbindung mit der Beschreibung näher erläutert.
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Der zugrundeliegende Kältemittelverdichter umfasst eine Taumelscheibe, die auf einer Antriebswelle kippbar gelagert ist und von dieser angetrieben, und damit in Rotation versetzt wird.
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In einer beispielhaften Ausgestaltung des Kältemittelverdichters wird die Antriebskraft von der Antriebswelle des Kältemittelverdichters auf eine drehbare Mitnehmerscheibe übertragen. Ein an der Mitnehmerscheibe angeordneter Mitnehmerarm, der achsparallel zur Antriebswelle verläuft, überträgt die Antriebskraft über ein schwenkbar gelagertes Verbindungselement auf die Taumelscheibe des Verdichters übertragen.
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Die Taumelscheibe des Kältemittelverdichters ist ihrerseits über Gleitlager mit einer Mehrzahl an Kolben verbunden. Damit führt eine mit einem von Null verschiedenen Kippwinkel ausgeschwenkte Taumelscheibe die verbundenen Kolben während einer Umdrehung um die Drehachse in einer axialen Hubbewegung. Der Kippwinkel der Taumelscheibe bestimmt somit den Hub der Kolben und damit das Fördervolumen des Kältemittelverdichters.
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Das erfindungsgemäße Sensorsystem 300 umfasst ein Positionsgeber 302, der mechanisch mit der Taumelscheibe derart gekoppelt wird, dass der Positionsgeber 302 eine von der Rotations- und Kippbewegung der Taumelscheibe abhängige und durch diese geführte zyklische Bewegung innerhalb eines Gehäuses des Kältemittelverdichters ausführt.
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Eine zyklische Bewegung des Positionsgebers 302 beschreibt, im Zusammenhang mit der Erfindung, eine Bewegung, die sich in Abhängigkeit von einer Umdrehung der Taumelscheibe um deren Drehachse wiederholt.
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Dabei kann der Positionsgeber 302 entweder in einer wiederkehrenden Taumel- oder Kippbewegung um die Drehachse geführt, auf einer wiederkehrenden Kreisbahn um die Drehachse geführt, oder auch in einer wiederkehrenden Hubbewegung parallel zu Drehachse geführt werden. Die zyklische Bewegung des Positionsgebers 302 muss lediglich von der Rotationsbewegung der Taumelscheibe abhängig sein und Rückschlüsse auf den Kippwinkel dieser zulassen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Positionsgeber mit der Taumelscheibe mechanisch verbunden, und führt eine zu der Rotations- und Kippbewegung der Taumelscheibe entsprechende Bewegung aus.
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Dabei kann der Positionsgeber 302 mit einem schwenkbar gelagerten Verbindungselement, über das die Taumelscheibe angetrieben ist, mechanisch verbunden sein (wie in 3a und 3b gezeigt). Alternativ kann der Positionsgeber 402 auch in der Taumelscheibe integriert sein (wie in 4a und 4b gezeigt).
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Gemäß einem alternative Ausführungsbeispiel ist der Positionsgeber mit einem mit die Taumelscheibe gekoppelten Kolben des Kältemittelverdichters mechanisch verbunden, und führt eine von der Rotations- und Kippbewegung der Taumelscheibe abhängige translatorische (oder Hub-)Bewegung aus, die im Wesentlichen parallel zur Antriebswelle verläuft.
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Dabei kann der Positionsgeber mit einem Verbindungselement, über das der Kolben mit der Taumelscheibe verbunden ist, mechanisch verbunden werden (nicht gezeigt). Alternativ kann der Positionsgeber 502 auch in dem Kolben integriert sein (wie in 5a, b gezeigt).
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Das erfindungsgemäße Sensorsystem 300 umfasst weiterhin einen Positionssensor 304, der mechanisch mit dem Gehäuse des Kältemittelverdichters verbunden wird. Damit stellt der Positionssensor 304 einen festen Bezugspunkt für eine Abstandsbestimmung dar, bezüglich dessen sich die Bewegung des Positionsgebers 302 nachvollziehen, d. h. bestimmen lässt.
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Der Positionssensor 304 ist vorteilhafter Weise derart angeordnet, dass zu wenigstens einem Zeitpunkt dieser Positionssensor 304 in geringem Abstand zu dem Positionsgeber 302 bezogen auf dessen geführte zyklische Bewegung befindet.
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Wird entsprechend eines Ausführungsbeispiels davon ausgegangen, dass der Positionsgeber 302 – wie in 3a und 3b gezeigt – in einer wiederkehrenden Taumel- oder Kippbewegung um die Drehachse geführt wird, entspricht der geforderte geringe Abstand zum Positionsgeber eine Anordnung des Positionssensors 304 in Verlängerung (d. h. fluchtend) mit zumindest einem Punkt der Drehachse.
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Wird entsprechend eines anderen Ausführungsbeispiels davon ausgegangen, dass der Positionsgeber 304 – wie in 4a und 4b gezeigt – auf einer wiederkehrenden Kreisbahn um die Drehachse geführt wird, entspricht der geringe Abstand zum Positionsgeber einer Anordnung des Positionssensors 404 in der Verlängerung (d. h. fluchtend) mit zumindest einem Punkt auf der Drehachse.
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Wird entsprechend eines weiteren Ausführungsbeispiels davon ausgegangen, dass der Positionsgeber 502 – wie in 5a und 5b gezeigt – in einer wiederkehrenden translatorischen (oder Hub-)Bewegung im Wesentlichen parallel zur Antriebswelle geführt wird, entsprich der geringe Abstand zum Positionsgeber einer fluchtenden Anordnung des Positionssensors 504 längsseits zumindest einer Position der Bewegung.
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Der Positionssensor 304 des erfindungsgemäßen Sensorsystems 300 ermittelt kontinuierlich einen Abstand zwischen Positionsgeber 302 und Positionssensor 304.
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Weiterhin umfasst der Positionssensor 304 des erfindungsgemäßen Sensorsystems 300 eine Auswerteeinrichtung (nicht gezeigt). Die Auswerteinrichtung kann in Form eines Prozessors, eines Microcontrollers, eines Field-Programmable-Gate-Array, FPGA, oder eines andersartigen Rechenwerkes gebildet sein.
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Die Auswerteeinrichtung wählt aus einer Mehrzahl der kontinuierlich ermittelten Abstände einen zwischen Positionsgeber und Positionssensor minimalen Abstand auswählt. Dieser ausgewählte minimale Abstand wird daraufhin dazu verwendet aus dessen Amplitude einen Kippwinkel und aus den Zeitabständen zwischen zwei aufeinanderfolgende ausgewählte minimalen Abständen eine Drehgeschwindigkeit der Taumelscheibe zu bestimmen.
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In anderen Worten bestimmt die Ausweiteeinrichtung aus dem von dem von dem Positionssensor 304 ermittelten Abstandssignal zwischen Positionsgeber 302 und Positionssensor 304 den Kippwinkel und die Drehgeschwindigkeit der Taumelscheibe des Kältemittelverdichters.
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Dazu wählt die Auswerteeinrichtung diejenigen Abstandswerte in dem Abstandssignal aus, die bezogen auf einen Zeithorizont einem minimalen Abstand entsprechen. Vorteilhafter Weise kann der bezogene Zeithorizont als die Zeitdauer einer Umdrehung der Taumelscheibe um Ihre Drehachse gewählt werden, und ist damit abhängig von der Drehgeschwindigkeit. Dazu bedarf es einer Schätzung, die beispielsweise auch die Historie von früheren Drehgeschwindigkeiten berücksichtigen kann. Folglich wird der Zeithorizont kontinuierlich angepasst.
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Die in der Auswerteeinrichtung ausgewählten Abstandswerte entsprechen derjenigen (einzelnen) Position des Positionsgebers 302, welche der Positionsgeber 302 auf seiner zyklisch geführten Bewegung mit geringstem Abstand zum Positionssensor 304 einnimmt. In der zyklisch geführten Bewegung entfernt sich der Positionsgeber 302 erst von dem Positionssensor 304 bevor er sich, entsprechend der Drehbewegung der Taumelscheibe, wieder dem Positionssensor 304 annähert.
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Somit ermöglicht die Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden ausgewählten minimalen Abstandswerten die Bestimmung der Drehgeschwindigkeit der Taumelscheibe. Weiter bestimmt die Auswerteeinrichtung über die Amplitude eines ausgewählten minimalen Abstandswertes den Kippwinkel der Taumelscheibe.
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Vorteilhafter Weise ist der Positionssensor 304 an der Position angeordnet an der die Auslenkung durch die Kippbewegung der Taumelscheibe am Größten ist. In anderen Worten, der Positionsgeber 302 ist mechanisch mit der Taumelscheibe derart gekoppelt, dass der Positionsgeber durch die Kippbewegung der Taumelscheibe eine maximale Auslenkung erfährt.
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Entsprechend eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist der Positionsgeber 302 des erfindungsgemäßen Sensorsystems 300 als Magnet und der Positionssensor 304 des erfindungsgemäßen Sensorsystems 300 als Halleffekt Sensor ausgebildet. Andere Ausbildungen der Sensoren sind möglich.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Sensorsystems 300 ist der Positionssensor 302 mit einem Gehäuse mit einem Schraubgewinde ausgebildet ist und wird in einer in dem Gehäuse des Kältemittelverdichters ausgeführten Gewindebohrung eingeschraubt. Dabei kann die in dem Gehäuse ausgeführte Gewindebohrung als eine Durchgangsbohrung oder eine Sacklochbohrung ausgebildet ist.
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Vorteilhafterweise kann durch das entsprechende Sensorsystem 300 die Drehzahl und das Verdichtungsvolumen bestimmt werden. Werden der Kippwinkel und die Drehgeschwindigkeit bestimmt, kann eine im Kältemittelverdichter vorgesehene elektrische Regeleinrichtung oder die vorstehende beschriebene elektrische Regeleinrichtung der Baugruppe 100 oder 200 diese nutzen um den Massenstrom im Kältemittelkreislauf zu ermitteln.
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Für eine derartige Berechnung des Massenstromes lassen sich folgende Vorteile nennen: Mit Hilfe des Massenstromes kann das Drehmoment des Kältemittelverdichters berechnet werden. Ist das aktuelle bzw. zukünftige Drehmoment des Kältemittelverdichters bekannt, kann die Einspritzmenge im Automobil genauer abgestimmt werden, was zu Kraftstoffeinsparungen und damit zu CO2 Reduzierungen führt.
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Des Weiteren kann bei geregelten Riemenspannern im Automobil die Riemenspannung bei bekanntem Drehmoment entsprechend dem Bedarf eingestellt werden. Dies ist von Vorteil, da Reibkräfte reduziert werden und die Lebensdauer der Riemenlager erhöht wird.
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In den 4a und 4b ist ein erfindungsgemäßes Sensorsystem 400 in Verbindung mit einem Kältemittelverdichter dargestellt. Das Sensorsystem umfasst einen Positionsgeber 402 und einen Positionsensor 404 die die gleiche Funktionalität bereitstellen wie der entsprechende Positionsgeber 302 und der Positionssensor 304. Auf entsprechende detaillierte Ausführungen dazu wird an dieser Stelle nur verwiesen.
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Das Sensorsystem 400 unterscheidend sich einzig in der Anordnung des Positionsgebers 402 und des Positionssensors 404 in/an dem Kältemittelverdichter von dem Sensorsystem 300. Insbesondere ist in dem Sensorsystem 400 der Positionsgeber 402 in der Taumelscheibe integriert. Korrespondierend dazu ist der Positionssensor 404 in diesem Beispiel in dem Sensorsystem in geringem Abstand zum Positionsgeber 402, nämlich in der Verlängerung (d. h. fluchtend) mit zumindest einem Punkt auf der Drehachse an der Kältemittelverdichter-Gehäusewand angeordnet.
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Hiermit werden die oben ausgeführten Vorteile ebenfalls realisiert, da auch bei dieser Anordnung des Sensorsystems 400 in/an dem Kältemittelverdichter die Drehgeschwindigkeit und der Kippwinkels einer Taumelscheibe in einem Kältemittelverdichter ausreichend präzise bestimmt wird.
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In den 5a und 5b ist ein erfindungsgemäßes Sensorsystem 500 in Verbindung mit einem Kältemittelverdichter dargestellt. Das Sensorsystem umfasst einen Positionsgeber 502 und einen Positionsensor 504 die die gleiche Funktionalität bereitstellen wie der entsprechende Positionsgeber 302 und der Positionssensor 304. Auf entsprechende detaillierte Ausführungen dazu wird an dieser Stelle nur verwiesen.
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Das Sensorsystem 500 unterscheidend sich einzig in der Anordnung des Positionsgebers 502 und des Positionssensors 504 in/an dem Kältemittelverdichter von dem Sensorsystem 300. Insbesondere ist in dem Sensorsystem 500 der Positionsgeber 502 in den Kolben des Kältemittelverdichters integriert. Korrespondierend dazu ist der Positionssensor 504 in dem Sensorsystem in geringem Abstand zum Positionsgeber, nämlich in einer fluchtenden Anordnung längsseits zumindest einer Position der Bewegung an der Kältemittelverdichter-Gehäusewand angeordnet.
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Hiermit werden die oben ausgeführten Vorteile ebenfalls realisiert, da auch bei dieser Anordnung des Sensorsystems
500 in/an dem Kältemittelverdichter die Drehgeschwindigkeit und der Kippwinkels einer Taumelscheibe in einem Kältemittelverdichter ausreichend präzise bestimmt wird. Bezugszeichenliste:
| Bezugsziffer | Beschreibung |
| 100, 200 | Baugruppe |
| 102 | Erstes Regelventil |
| 104 | Anschluss für den Hochdruckbereich |
| 106 | Anschluss für den Kurbelraumdruckbereich |
| 108 | Ventilgehäuse |
| 110 | Ventilkörper |
| 112 | Absperrkörper |
| 114 | Elektrischer Stellantrieb |
| 116 | Zweites Regelventil |
| 118 | Anschluss für den Kurbelraumdruckbereich |
| 120 | Anschluss für den Saugdruckbereich |
| 122 | Erster Drucksensor für den Hochdruckbereich |
| 124 | Zweiter Drucksensor für den Saugdruckbereich |
| 126 | Erster Temperatursensor für den Hochdruckbereich |
| 128 | Zweiter Temperatursensor für den Saugdruckbereich |
| 300, 400, 500 | Sensorsystem |
| 302, 402, 502 | Positionsgeber |
| 304, 404, 504 | Positionssensor |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011117354 A1 [0002]
