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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Windkraftanlagen bzw. Windräder bestehen üblicherweise aus einem Turm an dessen oberen Ende ein Rotor sowie ein damit verbundener Generator angeordnet sind. Bei elektrischen Leistungen im Multi-Megawattbereich wird das Gewicht der Gondel sehr hoch und liegt im Bereich von bis 800 Tonnen. Dieses hohe Gewicht am oberen Ende des Turms erfordert natürlich eine entsprechend mechanische Stabilität des Turms, was die Gesamtkosten der Windkraftanlage (Herstellung, Transport, Montage und Wartung) wesentlich erhöht. Um das hohe Gewicht und die damit verbundene massive Bauweise des Turms zu vermeiden, lehrt die
DE 10 2008 024 829 B4 , die
US 2011/0018269 A1 , die
DE-OS 28 17 483 und die
WO 2015/121478 A1 am oberen Ende des Turms nur den Rotor anzuordnen und den Generator im Bodenbereich des Turms. Die Rotorwelle am oberen Ende des Turms ist mit der Generatorwelle über einen Zugmitteltrieb verbunden. Da der Turm nur das Gewicht des Rotors, die Windlasten und das Wellenrad aufnehmen muss, ergibt sich für den Turm eine einfachere bzw. weniger massive Konstruktion und damit geringere Kosten. Nachteilig bei diesen bekannten Windkraftanlagen ist es, dass sich mit Zugmitteltrieben sehr hohe Leistungen nicht ohne weiteres übertragen lassen.
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Lediglich die
WO 2015/121478 A1 ist für hohe Leistungen im Megawattbereich ausgelegt und weist daher Turmhöhen im Bereich von 100 m und mehr auf. Hohe Türme sind aufwendig und teuer, es wird daher versucht den Turmdurchmesser möglichst gering zu halten. Dies hat wiederum zur Folge, dass im Inneren des Turms weniger Platz zur Verfügung steht. Die
WO 2015/121478 A1 lehrt daher den Zugmitteltrieb außen am Turm anzubringen. Damit ist der Zugmitteltrieb Umwelteinflüssen ausgesetzt, was die Lebensdauer des Zugmitteltriebs verringert. Auch ergeben sich Sicherheitsproblem, wenn ein Zugmitteltrieb reißt.
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Die
US 2011/0018269 A1 lehrt im Turminneren Spannvorrichtungen in Form von Rollen vorzusehen, die beidseitig außen an den gegenläufigen Abschnitten des Treibriemens angreifen und den Abstand der gegenläufigen Abschnitte des Treibriemens verkleinern. Diese Spannvorrichtungen dienen zur Führung der Treibriemen in gewünschten Bahnen, zur Dämpfung von unerwünschten Schwingungen und insbesondere zur Verringerung von Schlupf des Treibriemens an den beiden Wellenrädern. Maßnahmen für höhere Türme mit geringerem Innendurchmesser sind nicht vorgesehen.
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Ausgehend von der
US 2011/0018269 A1 ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Windkraftanlage bereitzustellen, die schlankere und höhere Türme und damit Leistungen im Megawattbereich ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Dadurch, dass in der drehbaren Gondel ein oder mehrere obere Umlenkrollen vorgesehen sind, wird der Abstand der gegenläufigen Abschnitte des oder der Treibriemen soweit verringert, dass schlankere und damit höhere Türme bei gleichem Materialaufwand genutzt werden können. Der Durchmesser des oberen Wellenrades bestimmt nicht mehr den Innendurchmesser des Turmes am oberen Ende, d. h. der Durchmesser des oberen Wellenrades kann größer als der Innendurchmesser des Turms am oberen Ende sein. Hierbei ist es jedoch wichtig, dass die durch die Umlenkrollen verursachte Biegung der Treibriemen möglichst klein bzw. innerhalb der zulässigen Toleranzen liegt. Dies lässt sich beispielsweise durch entsprechend große Durchmesser der Umlenkrollen erreichen. Gleichzeitig wirken die Umlenkrollen auch als Spannvorrichtung, wodurch die Kraftübertragung zwischen Wellenrädern und Treibriemen verbessert wird.
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Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 2 können auch am unteren Ende des Turms ein oder mehrere untere Umlenkrollen vorgesehen werden, sofern sich diese Maßnahme nicht durch den üblicherweise größeren Innendurchmesser des Turms am unteren Ende erübrigt.
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Gemäß der besonders bevorzugten Ausgestaltung nach Anspruch 3 werden mehrere Umlenkrollen untereinander entlang einer Kreislinie angeordnet. Auf diese Weise können mit Umlenkrollen mit kleinen Durchmessern wesentlich größere Biegeradien dargestellt werden. Diese großen Biegeradien sorgen für eine wesentlich geringere Biegebelastung der Treibriemen
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Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 4 sind die Umlenkrollen jeweils paarweise einander gegenüberliegend vorgesehen. Dadurch ergibt sich bei einem bestimmten Biegeradius die doppelte Verkleinerung des Abstandes der gegenläufigen Abschnitte der Treibriemen.
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Besonders geeignet für den Zugmitteltrieb sind Treibreimen aus hochzugfestem faserverstärktem Kunststoff. Hierdurch wir bei erhöhter Zugfestigkeit das Eigengewicht des Zugmitteltriebs reduziert (im Vergleich zu Treibriemen mit Stahl als Zugstrang). Geeignete Kunststoffe sind insbesondere Polyamid, mit Carbonfasern verstärkte Kunststoffe und Aramide (z. B, Kevlar). – Anspruch 5 und 6.
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Um Schlupf zwischen den Wellenrädern und den Treibriemen zu vermeiden sind die Treibriemen mit Noppen und komplementären Ausnehmungen in den Wellenrädern oder Wellenräder mit Noppen oder Zähnen, die in komplementäre Ausnehmungen im Treibriemen eingreifen, geeignet – Anspruch 7.
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Durch die drehbaren Führungseinrichtungen gemäß Anspruch 8 wird das Zugmittel sicher entlang des Turmes geführt. Diese Führungseinrichtungen, vorzugsweise in Form von Führungsrollen, wirken gleichzeitig auch als Spannvorrichtung.
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Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 9 werden durch eine Schwingungsdämpfungseinrichtung Schwingung der Zugmitteltriebe verringert. Diese Schwingungsdämpfungseinrichtung lässt sich in vorteilhafter Weise in die Führungseinrichtung integrieren.
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Die mit Zugmitteltrieben übertragbare Leistung ist proportional zur Umlaufgeschwindigkeit des Zugmitteltriebes und proportional zur der auf das Zugmittel einwirkenden Kraft. Bei geringer Umlaufgeschwindigkeit müssen die Zugmittel für extrem hohe Kräfte ausgelegt werden, die im Störungsfall zu einer Zerstörung des Zugmittels führen können. Wird die Umlaufgeschwindigkeit zu hoch, besteht die Gefahr, dass die Schwingungen des Zugmittels nicht mehr in den Griff zu bekommen sind. Dadurch, dass zwischen Rotor und oberem Wellenrad ein Übersetzungsgetriebe vorgesehen ist, lässt sich die Umlaufgeschwindigkeit so einstellen und optimieren, dass hohe Leistungen im Megawattbereich durch den Zugmitteltrieb übertragen werden und sich Umlaufgeschwindigkeit des Zugmittels und die auf das Zugmittel wirkenden Kräfte sich in technisch beherrschbaren Wertebereichen befinden. Nur wenn das Übersetzungsgetriebe oben zwischen Rotor und oberem Wellenrad angeordnet ist, kann bei gewünschter Leistungsübertragung ein optimaler Kompromiss zwischen Umlaufgeschwindigkeit des Zugmittels und auf das Zugmittel einwirkenden Zugkräften eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch zwischen unterm Wellenrad und Generator ein Übersetzungsgetriebe vorgesehen sein. Dadurch, dass die Drehachse der Antriebswelle gleich oder parallel zur Drehachse der Abtriebswelle des Übersetzungsgetriebes ist, lassen sich hohe Leistungen im Megawattbereich übertragen. Bei Kardangetrieben, wie sie aus der
US 2011/0018269 A1 ist dies nicht möglich. Besonders geeignet sind Stirnrad- oder Planetengetriebe – Anspruch 10.
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Durch Variation der Durchmesser der Wellenräder gemäß Anspruch 12 kann die übertragen Leistung ebenfalls beeinflusst werden. Größere Wellenräder ermöglichen aufgrund der erhöhten Umlaufgeschwindigkeit der Treibriemen eine größere Leistungsübertragung. Zugleich verringert sich bei großen Durchmessern der Wellenräder die Biegebelastung der Treibriemen. Da durch die Umlenkrollen das obere Wellenrad größer als der Innendurchmesser des Turms am oberen Ende sein kann, ist es in bestimmten Leistungsbereichen möglich ohne oberes Übersetzungsgetriebe auszukommen. Durch ein oberes Wellenrad mit einem Durchmesser von 10 m lassen sich durch die hohe Umlaufgeschwindigkeit hohe Leistungen übertragen.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 11 ist die drehbare Generatorplattform gegen Umwelteinflüsse geschützt und gleichzeitig ist auch die stabile Lagerung und Verankerung des Turms gewährleistet.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es zeigt:
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1 eine perspektivische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung mit Turmsockel, Turm, Rotor und einem Versorgungsaufzug außen am Turm;
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2 eine schematische Darstellung ohne Turm mit Zugmitteltrieb im Turminneren und Führungs- und Dämpfungseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
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3 eine Detaildarstellung des Rotors mit Gondelboden der ersten Ausführungsform;
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4 eine Detaildarstellung des Rotors ohne Gondelboden der ersten Ausführungsform;
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5 eine Schnittdarstellung durch das obere Wellenrad und die oberen Umlenkrollen senkrecht zur Drehachse der Rotorwelle der ersten Ausführungsform;
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6 eine Detaildarstellung des Generators mit unterem Wellenrad auf der drehbaren Generatorplattform am unteren Ende des Turms;
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7 eine Schnittdarstellung durch das obere Wellenrad und die oberen Umlenkrollen senkrecht zur Drehachse der Rotorwelle einer zweiten Ausführungsform; und
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8 eine Schnittdarstellung durch das untere Wellenrad und die unteren Umlenkrollen senkrecht zur Drehachse der Generatorwelle gemäß der zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Windkraftanlage im On-Shore-Bereich. Die Windkraftanlage umfasst einen Turm 2, der ein oberes und ein unteres Ende 3, 4 aufweist. Am oberen Ende 3 des vertikal angeordneten Turms 2 ist ein Rotor 6 und eine damit verbundene Gondel oder Maschinenhaus 8 angeordnet. Der Rotor 6 weist eine horizontale Drehachse auf. Gondel 8 und Rotor 6 sind um eine vertikale Achse drehbar an dem Turm 2 montiert. Unmittelbar unter der Gondel 8 ist eine obere ringförmige Plattform 10 außen am Turm 2 montiert. Das untere Ende 4 des Turms 2 ist in einem hutförmigen Turmsockel 12 montiert. Der Turmsockel 12 ist im Boden verankert. Zwischen der Oberseite des Turmsockels 12 und der oberen Plattform 10 verläuft außen am Turm 2 eine Versorgungsaufzug 14 mit einer Aufzugskabine 15.
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Die 2 bis 5 zeigen Details einer ersten Ausführungsform mit einer linken und einer rechten oberen Umlenkrollen 100 und 102, die einander gegenüberliegend in der drehbaren Gondel 8 montiert sind.
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3 und 4 zeigen das obere Ende 3 des Turms 2, einmal mit einem Gondelboden 104 in den die beiden oberen Umlenkrollen 100, 102 eingelassen sind, 3, und einmal ohne Gondelboden 104, um die Lage und Funktion der beiden oberen Umlenkrollen 100, 102 besser darstellen zu können. Der Rotor 5 ist über eine Rotorwelle 16 stirnseitig mit der Gondel 8 bzw. dem Gondelboden verbunden. Die Rotorwelle 16 ist in der Gondel 14 in einem ersten Rotorwellenlager 18 und einem zweiten Rotorwellenlager 19 um eine horizontale Drehachse drehbar gelagert. Die Rotorwelle 16 umfasst einen ersten Abschnitt 16-1 und einen zweiten Abschnitt 16-2. Der erste Abschnitt 16-1 verbindet den Rotor 6 mit einem oberen Übersetzungsgetriebe 20 und stellt die Antriebswelle des Übersetzungsgetriebes dar. Der zweite Abschnitt 16-2 stellt die Abtriebswelle des oberen Übersetzungsgetriebes 20 dar und verbindet das obere Übersetzungsgetriebe 20 mit einem oberen Wellenrad 22. Die Drehachse des ersten Abschnitts 16-1 ist gleich der Drehachse des zweiten Abschnitts 16-2.
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Das in 6 gezeigte untere Ende 4 des Turms 2 umfasst den Turmsockel 12 mit einem Hohlraum 24, der über einer Basisplatte 26 angeordnet ist. Der Hohlraum 24 wird durch einen zylindrischen Aufsatz 28 auf der Basisplatte 26 gebildet. Der zylindrische Aufsatz 28 weist eine zentrale Öffnung 30 auf in der der Turm 2 mittels eines ringförmigen Montagekranzes 32 montiert ist. Der Durchmesser der Basisplatte 26 ist größer als der Durchmesser des zylindrischen Aufsatzes 28, wodurch die Stabilität des Turmes 2 verbessert wird.
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Auf einer um eine vertikale Achse drehbaren Generatorplattform 34 ist ein unteres Wellenrad 36 über eine Generatorwelle 38 und ein unteres Übersetzungsgetriebe 40 mit einem elektrischen Generator 42 verbunden. Die Generatorwelle 38 umfasst einen ersten Abschnitt 38-1 und einen zweiten Abschnitt 38-2. Der erste Abschnitt 38-1 verbindet das untere Wellenrad 36 mit dem unteren Übersetzungsgetriebe 40 und stellt die Antriebswelle des unteren Übersetzungsgetriebes 40 dar. Der zweite Abschnitt 16-2 stellt die Abtriebswelle des unteren Übersetzungsgetriebes 40 dar und verbindet das untere Übersetzungsgetriebe 40 mit dem Generator 42. Die Drehachse des ersten Abschnitts 38-1 der Generatorwelle 38 ist gleich der Drehachse des zweiten Abschnitts 38-2. Die elektrische Leistung des Generators 42 wird über elektrische Schleifkontakte (nicht dargestellt) nach zu einem elektrischen Transformator (nicht dargestellt) geführt.
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Das obere und untere Wellenrad 22, 36 sind über einen Zugmitteltrieb 44 mechanisch gekoppelt. Der Zugmitteltrieb 44 umfasst eine Mehrzahl von nebeneinander auf den beiden Wellenrädern 22, 36 angeordneten und parallel zueinander verlaufenden Treibriemen 46. Der Zugmitteltrieb 44 bzw. die Treibriemen 46 verlaufen im Inneren des Turms 2 und sind in den 2 bis 4 und 6 dargestellt.
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Im Turm 2 sind ein oder mehrere Führungseinrichtungen 48 drehbar an der Innenseite des Turms 2 montiert. Die Führungseinrichtungen 48, siehe 4 und 5, führen die Treibriemen 46 durch Führungsräder 50 in festgelegten Bahnen. Die Führungsräder 50 sind in einer Halterung 52 gelagert, die Dämpfungselemente 54 und halten die Treibriemen 46 auf Spannung. Durch die Spannung und die Dämpfungselemente 54 werden unerwünschte Schwingungen der Treibriemen 46 unterdrückt bzw. gedämpft.
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Die drehbare Gondel 8, die Führungseinrichtungen 48 und die drehbare Generatorplattform 34 werden über Stellmotoren 56, die von einer zentrale Steuereinrichtung angesteuert werden, synchron zueinander gedreht, so dass die Treibriemen 46 immer annähernd parallel zueinander verlaufen.
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Wie aus 3 und 4 zu ersehen ist, sind die Gondel 8 bzw. der Gondelboden 104 mit Rotor 5, Übersetzungsgetriebe 20, Rotorwelle 16 und oberen Wellenrad 22 mittels einem oberen Drehkranz 106 drehbar auf dem oberen Ende 3 des Turms 2 montiert. Hierbei ist der Durchmesser des oberen Drehkranzes 106 größer ist als der Innendurchmesser d des Turmes 2 am oberen Ende 3. Der Durchmesser D des oberen Wellenrades ist noch größer als der Durchmesser des oberen Drehkranzes. Durch die beiden auf gleicher Höhe einander gegenüberliegenden Umlenkrollen 100, 102 wird der Abstand der gegenläufigen Abschnitte der Treibriemen 46 soweit verringert, dass die Treibriemen 46 im Inneren des Turms 2 geführt werden können. Hierbei ist es jedoch wichtig, dass die durch die beiden oberen Umlenkrollen 100, 102 verursachten Biegeradien innerhalb des Toleranzbereiches für Biegung der Treibriemen von außen liegen. Dies wird durch einen entsprechend großen Durchmesser der Umlenkrollen 100, 102 erreicht.
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7 und 8 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der statt zwei einander gegenüberliegender Umlenkrollen links und rechts jeweils eine Mehrzahl von Umlenkrollen 100, 102 eingesetzt werde. Hierbei sind sowohl die linken als auch die rechten Umlenkrollen 100, 102 unter- bzw. übereinander auf einer Kreislinie angeordnet, die einen großen Biegeradius für die Treibriemen 46 definiert. Durch diese Ausführungsform lassen sich große Biegeradien mit Umlenkrollen mit wesentlich kleinerem Durchmesser darstellen. Große Biegeradien bedeuten eine geringere Belastung der Treibriemen durch Biegebeanspruchung.
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8 zeigt, dass auch am unteren Ende 4 des Turms 2 über dem unteren Wellenrad 36 jeweils einander gegenüberliegend eine Mehrzahl von linken und rechten unteren Umlenkrollen 108, 110 vorgesehen sind. Die unteren Umlenkrollen 108, 110 sind spiegelbildlich zu den oberen Umlenkrollen 100, 102 angeordnet, so dass die gegenläufigen Abschnitte der Treibriemen 46 im Inneren des Turms 2 parallel zueinander geführt sind.
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Die Treibriemen 46 sind als Zahnriemen und die Wellenräder 22, 36 sind als Zahnriemenräder ausgeführt. Schlupf zwischen Wellenrad und Treibriemen ist damit ausgeschlossen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Turm
- 3
- oberes Ende von 2
- 4
- unteres Ende von 2
- 6
- Rotor
- 8
- Gondel, Maschinenhaus
- 10
- obere Plattform
- 12
- Turmsockel
- 14
- Versorgungsaufzug
- 15
- Aufzugskabine
- 16
- Rotorwelle
- 16-1
- erster Abschnitt von 16
- 16-2
- zweiter Abschnitt von 16
- 18
- erstes Rotorwellenlager
- 19
- zweites Rotorwellenlager
- 20
- oberes Übersetzungsgetriebe
- 22
- oberes Wellenrad
- 24
- Hohlraum in 12
- 26
- Basisplatte von 12
- 28
- zylindrischer Aufsatz von 12
- 30
- zentrale Öffnung in 28
- 32
- ringförmiger Montagekranz
- 34
- drehbare Generatorplattform
- 36
- unteres Wellenrad
- 38
- Generatorwelle
- 38-1
- erster Abschnitt von 36
- 38-2
- zweiter Abschnitt von 36
- 40
- unteres Übersetzungsgetriebe
- 42
- elektrischer Generator
- 44
- Zugmitteltrieb
- 46
- Treibriemen, Zahntreibriemen
- 48
- Führungseinrichtung
- 50
- Führungsräder
- 52
- Halterung für 50
- 54
- Dämpfungselemente
- 56
- Stellmotoren
- 100
- linke obere Umlenkrolle
- 102
- rechte über Umlenkrolle
- 104
- Gondelboden
- 106
- oberer Drehkranz
- 108
- linke untere Umlenkrollen
- 110
- recht untere Umlenkrollen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008024829 B4 [0002]
- US 2011/0018269 A1 [0002, 0004, 0005, 0015]
- DE 2817483 A [0002]
- WO 2015/121478 A1 [0002, 0003, 0003]
