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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines brenngasbetriebenen Heizgerätes.
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Gattungsbildende Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Offenbarung gemäß der Druckschrift
WO2006/000366A1 . Auch kennt der Fachmann eine Verbrennungsregelung nach dem sog. SCOT-Verfahren, bei dem die Steuerung der dem Brenner des Heizgerätes zugeführte Luftmenge entsprechend der Brennerleistung erfolgt. Dabei wird eine Flammensignalmessung mittels eines lonisationssensors durchgeführt und das Gas-Luftgemisch auf einen in einer Kennlinie hinterlegten Soll-Ionisationsmesswert geregelt. Beim SCOT-Verfahren ist jedoch nachteilig, dass bei kleinen Brennerleistungen das Flammensignal stark absinkt und die Regelung damit unzuverlässig wird. Zudem ist der Adaptionsaufwand, insbesondere zur Anpassung der Brennergeometrie hoch und die Brennerleistung kann nur ungenau über die Gebläsedrehzahl eines den Luftvolumenstrom für das Gas-Luft-Gemisch liefernden Gebläses bestimmt werden.
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Eine Problematik der Regelungsverfahren liegt zudem darin, dass für die Verbrennung unterschiedliche Gasarten, z.B. Erdgas oder Flüssiggas, sowie Gasqualitäten zum Einsatz kommen. Die Parameter des Regelungsverfahrens müssen auf die Gasart bzw. Gasqualität angepasst werden, da die Verbrennung andernfalls unsauber abläuft.
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Für Regelungsverfahren der vorliegenden Art gilt, dass die Luftzahl λ in der Technik das Verhältnis zwischen Luft und Gas bestimmt, wobei beispielsweise eine Luftzahl λ=1,3 einem Luftüberschuss von 30% entspricht. Ein für ein bestimmtes Gas erforderlicher Luftbedarf L ist abhängig von der Gasbeschaffenheit, wobei beispielhafte Werte für Propan: L= ca. 30, Erdgas aus der Gruppe H: L= ca. 10 und Erdgas aus der Gruppe L: L= ca. 8 sind. Die Luftzahl ist in der Praxis vorzugsweise bei verschiedenen Brennerleistungspunkten und bei verschiedenen Gasfamilien (z.B. Erdgas oder Flüssiggas) unterschiedlich. In der Regel wird dieser Zusammenhang in Form von leistungsabhängigen λ-Kennlinien im Steuergerät abgespeichert. Zur automatischen Auswahl der richtigen Kennlinie ist eine automatische Gasarterkennung nötig. Der zu einem definierten Gas-Luftgemisch erforderliche Luftvolumenstrom vL berechnet sich aus dem Gasvolumenstrom vG multipliziert mit dem Luftbedarf L multipliziert mit der Luftzahl: vL= vG * L * λ.
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Der Brennwert der unterschiedlichen Gase entspricht näherungsweise dem Wert des Luftbedarfes L. Dieser Zusammenhang wird zur Vorsteuerung des modulierenden Verbrennungsluftgebläses auf eine gewünschte Brennerleistung genutzt. Da alle Gase unter unterschiedlichen Temperaturen und Drücken ihr Volumen verändern, gelten die oben aufgeführten Bedingungen nur bei gleichen Druck- und Temperaturbedingungen. Bei den in der Praxis jedoch abweichenden Bedingungen für Gas und Luft muss zur Regelung des Verbrennungsprozess entweder der jeweilige Massenstrom oder entsprechend korrigierte Volumenströme zugrunde gelegt werden (Beispiel: bei 30 K Temperaturerhöhung dehnt sich Luft um 10% aus, ohne dass mehr Luftmoleküle am Verbrennungsprozess beteiligt wären, so dass ohne Korrektur die Luftzahl um 10% sinken würde).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gasartenunabhängiges Verfahren zur Regelung eines brenngasbetriebenen Heizgerätes bereitzustellen. Zudem soll in Weiterbildungen mit dem Verfahren die Gasart bestimmbar und seine Regelungsparameter an die bestimmte Gasart anpassbar sein.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regelung eines brenngasbetriebenen Heizgerätes unter Nutzung einer Ionisations-Sollwert-Leistungskennlinie vorgeschlagen, wobei ein über eine Gaszuführung gelieferter Gasvolumenstrom und ein über ein Gebläse gelieferter Luftvolumenstrom zu einem Gas-Luftgemisch gemischt und mit einer auf einer gewünschten Brennerleistung basierenden Luftzahl λ einem Brenner des Heizgerätes zugeführt werden. Die Luftzahl λ wird mittels einem lonisationsmessverfahren einer Brennerflamme des Brenners überwacht. Zudem wird eine Plausibilitätskontrolle durchgeführt, bei der ein lonisationsmesssignal des Ionisationsmessverfahrens ausgewertet wird, und im Falle einer Abweichung von einem Ionisationsmesssignal-Sollwert eine Gemischkalibration des Gas-Luftgemisches erfolgt. Die Gemischkalibration erfolgt durch eine Ionisationsstromregelung, bei der die Luftzahl λ des Gas-Luftgemisches auf einen Wert λion-max angepasst wird, bei dem ein maximales Ionisationsmesssignal an einer Ionisationselektrode der lonisationsmessung in der Brennerflamme erreicht ist. Aus dem maximalen lonisationsmesssignal wird ein lonisationssignalsollwert für die Luftzahl λ in einem Kalibrierungspunkt errechnet und anschließend die Luftzahl λion-max auf eine Soll-Luftzahl λsoll angepasst, bis das Ionisationsmesssignal dem errechneten lonisationssignalsollwert entspricht.
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Grundsätzlich erfolgt die Regelung der Brennerleistung der jeweiligen Wärmebedarfsanforderung an das Heizgerät. Die dazu erforderliche Luftmenge wird mit dem drehzahlgeregeltem Gebläse von einem Steuergerät verändert. Die Gebläsedrehzahl entspricht im Wesentlichen dem Luftvolumenstrom. Der zugeführte Gasvolumenstrom wird durch ein elektrisch moduliertes Gasstellglied bzw. Gasventil variiert und durch einen Gasmassenstromsensor gemessen. Die Regelung des Gasvolumenstroms erfolgt ebenfalls über das Steuergerät. Das Gebläse ist vorzugsweise als Vormischgebläse zur Mischung von Gas und Luft ausgebildet, so dass das Gebläse einen Gemischvolumenstrom an den Brenner liefert. Die Gas-Luftgemischregelung beruht auf der kontinuierlichen Erfassung des Luftvolumenstroms durch eine Gebläsedrehzahlerfassung und der nachgeschalteten Ausregelung der Gasmenge über das Steuergerät, wobei der Sollwert der Gasmenge aus einer gespeicherten Kennlinie entnommen wird.
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Über die Plausibilitätskontrolle kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren festgestellt werden, ob die eine optimale Verbrennung beeinflussenden Parameter wie Gasart, Gasqualität, Abgassystem, Baugruppen des Heizgerätes wie die Rückschlagklappen vor dem Brenner oder der Wärmetauscher in der gewünschten Art und Weise funktionieren. Jede Änderung dieser Parameter beeinflusst das Gas-Luftverhältnis und mithin das Ionisationsmesssignal. Dies wiederum kann detektiert werden.
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Die erfindungsgemäße Gemischkalibration ermöglicht die Anpassung der Luftzahl λ und die Überführung des Heizgeräts in die optimale Verbrennung unter Berücksichtigung der die Verbrennung beeinflussenden Parametern.
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Vorteilhafterweise kann mit dem Verfahren aus der Soll-Luftzahl λsoll ein Luftbedarfswert L errechnet und über den Luftbedarfswert L die Gasart bestimmt werden, denn aus der Formel vL= vG*L*λ folgt, dass L=vL/(vG*λ). Die Werte des Luftbedarfswerts L sind wie oben beschrieben für jedes Gas bekannt. Die Gasartbestimmung kann somit automatisch über die Gemischkalibration erfasst und im Steuergerät des Heizgerätes hinterlegt werden. Zudem kann das Steuergerät anschließend labortechnisch vordefinierte Regelungskennlinien für die entsprechende Gasart, insbesondere die entsprechende lonisations-Sollwert-Leistungskennlinie, zur weiteren Regelung verwenden.
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Da die Regelung des Heizgerätes entlang der lonisations-Sollwert-Leistungskennlinie erfolgt, sieht eine vorteilhafte Ausführung des Verfahrens vor, die Ionisations-Sollwert-Leistungskennlinie durch die Gemischkalibration über einen gesamten Leistungsbereich des Heizgerätes anzupassen, wenn das lonisationsmesssignal oberhalb eines festgelegten Schwellenwerts von einem lonisationsmesssignal-Sollwert abweicht. Die Anpassung der lonisations-Sollwert-Leistungskennlinie erfolgt dabei über ihren gesamten Verlauf um das bei dem Kalibrierungspunkt der Gemischkalibration erfasste Verhältnis. Die neue Ionisations-Sollwert-Leistungskennlinie wird anschließend gespeichert. Nach der Gemischkalibration werden die Gas- und Luftmenge entlang der gespeicherten Kennlinie mit der entsprechend leistungsabhängigen Luftzahl und dem neu festgelegten Luftbedarfswert L geregelt.
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Bei der Ionisationsstromregelung der Gemischkalibration wird die Luftzahl λ durch Veränderung des Gasvolumenstromes oder Gasmassenstromes angepasst, bis das lonisationsmesssignal dem errechneten lonisationssignalsollwert entspricht. Dies ist über die Ansteuerung des Gasstellglieds auf einfach und sehr exakte Weise möglich. Über den Gasmassenstromsensor kann zudem unmittelbar der tatsächliche Gasmassenstrom abgeglichen werden.
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Die Gemischkalibration kann in einer Langversion und in einer Kurzversion durchlaufen werden. In beiden Varianten wird zunächst ein Gemischvolumenstrom bei einer festgelegten Gebläsedrehzahl erzeugt und der zugehörige Luftvolumenstrom erfasst. Bei der Kurzversion wird unmittelbar ein Maximalwert des lonisationssignales ermittelt und daraus ein neuer Ionisations-sollwert für ein bekanntes ermittelt und eingeregelt. Aus der in diesem Arbeitspunkt eingeregelten Gas- und Luftmenge wird der Luftbedarf bestimmt und für die weitere Gemischregelung genutzt.
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In der Langversion wird im Anschluss an die Erfassung des Luftvolumenstroms über die Ionisations-Sollwert-Leistungskennlinie der zugehörige lonisationssignalsollwert ermittelt. Das lonisationsstromsignal wird vom Steuergerät gemessen und mit dem aktuell hinterlegten Kennlinienwert verglichen. Anschließend werden die Schritte der lonisationsstromregelung durchlaufen und die Ionisations-Sollwert-Leistungskennlinie wie vorstehend beschrieben angepasst und gespeichert. In diesem Fall muss nur in Ausnahmefällen das lonisationssignalmaximum ermittelt werden.
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Die Gemischkalibration erfolgt vorzugsweise bei einem Leistungspunkt des Heizgerätes, der in einem Bereich von 50-70% seiner Maximalleistung bzw. der Brennerleistung entspricht.
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Grundsätzlich wird bei dem vorliegenden Regelungsverfahren zur Festlegung des über das Gebläse gelieferten Luftvolumenstroms für die erforderliche bzw. angeforderte Brennerleistung aus einer Luftzahl-Leistungskennlinie die gewünschte Luftzahl ermittelt und daraus der über das Gebläse zu liefernde Luftvolumenstrom über die Formel vL=P*λ berechnet.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass es eine Laufzeitmessung zur Prüfung der richtigen Funktion des Gasmassensensors umfasst. Bei der Laufzeitmessung wird eine Menge des zugeführten Gasvolumenstroms über eine Ansteuerung des Gasstellglieds bzw. Gasventils aktiv variiert und die Laufzeit zwischen der Ansteuerung und der Erfassung der Gasvolumenvariation an dem Gasmassensensor mit einem vordefinierten Laufzeit-Sollwert verglichen. Die Gasventilstellung kann bei der Variation um einen Impuls, eine Schwingung oder einen Istwertsprung erhöht oder reduziert werden. Der Laufzeit-Sollwert wird vorab labortechnisch ermittelt. Liegt die Laufzeit oberhalb eines Grenzwertes, liegt eine Gassensorstörung vor und das Heizgerät wird in einen Notbetrieb, beispielsweise mit beschränkter Modulation gesetzt.
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Zudem umfasst das Verfahren in einer Ausführungsvariante eine Laufzeitmessung zur Bestimmung des Gas-Luft-Gemischvolumenstromes. Dabei wird die Menge des zugeführten Gasvolumenstroms aktiv variiert und die Laufzeit zwischen der Ansteuerung und einer Änderung des Ionisationsmesssignals und optional zusätzlich der Höhe und Art der Änderung des Ionisationsmesssignals erfasst. Die gemessene Laufzeit wird anschließend mit einer labortechnisch vorbestimmten Laufzeit-Volumenstrom-Kennlinie verglichen. Ist die Auswirkung auf das lonisationsmesssignal aufgrund der Gasvolumenstromänderung zu gering oder verändert sich das Ionisationsmesssignal in die falsche Richtung, wird das Heizgerät in den Notbetrieb gefahren. Liegt die Auswirkung im Toleranzbereich, wird aus dem Laufzeitvergleich über eine labortechnisch ermittelte Wertetabelle der Gemischvolumenstrom bestimmt.
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Zudem ist vorteilhaft, dass die Laufzeitmessung in vorbestimmten Zeitabständen wiederholt wird. Dadurch wird stetig über den gesamten Leistungsbereich eine Plausibilisierung eines hinreichenden Luftvolumenstromes umgesetzt. Somit wird die Gebläsedrehzahl sicherheitstechnisch plausibilisiert. Als weitere Ausbaustufe kann die Laufzeitmessung herangezogen werden, um eine Verbrennungsluftberechnung gemäß den stationär erfassten Werten an verschiedenen Leistungspunkten durchzuführen. Dadurch kann die intern gespeicherte Kennlinie zur Verbrennungsluftberechnung dynamisch korrigiert werden.
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Das Verfahren sieht ferner vor, dass der tatsächliche Luftvolumenstrom aus einer Differenz des eingestellten Luftvolumenstroms und dem über die Laufzeitmessung bestimmten Gemischvolumenstroms und optional einer gemessene Temperatur des Luftvolumenstroms berechnet wird.
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Als weiteres Merkmal sieht das Verfahren vor, dass die Gebläsedrehzahl und ein sich draus ergebender Soll-Luftvolumenstrom kontinuierlich mit dem tatsächlichen Luftvolumenstrom abgeglichen werden. Bei einer zu großen Abweichung der Drehzahl im Laufe des Betriebs trotz gleichen Luftvolumenstromes, beispielsweise durch einen verstopften Wärmetauscher, schaltet das Steuergerät das Heizgerät ab und gibt eine Alarmmeldung aus.
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Als weiterer Aspekt umfasst das Verfahren die Integration der Gemischkalibration in ein Startverfahren zum Kaltstart des Heizgerätes. Dabei werden Zündversuche des Gas-Luftgemisches durchgeführt, bis über die lonisationsmessung eine Brennerflamme detektiert wird. Der zum Zündzeitpunkt vorliegende Gasmassenstrom wird konstant gehalten und im Steuergerät abgespeichert. Aus dem Verhältnis aus Gasvolumenstrom zu dem aus der Gebläsekennlie entnommenen und der Zünd-Drehzahl entsprechenden Luftvolumenstrom wird der Start-Luftbedarf Lstart ermittelt und daraus wie vorstehend beschrieben die Gasart bestimmt. Aus dem abgespeicherten Gasmassenstrom und dem Zündbereich wird der Startpunkt für den nächsten Brennerstart festgelegt.
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Soweit vorliegend auf „Volumenstrom“ abgestellt wird, kann in gleicher Weise auch der Massenstrom angewendet werden.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- 1 einen schematischen Aufbau eines Heizgerätes;
- 2 einen Ablauf der Gemischkalibration in der Kurzversion,
- 3 einen Ablauf der Gemischkalibration in der Langversion.
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In 1 ist ein schematischer Aufbau eines Heizgerätes 100 zur Durchführung des Regelungsverfahrens mit einem modulierenden Vormischgebläse 5, das Umgebungsluft a ansaugt und mit Gas mischt. Das Gas wird dem Vormischgebläse 5 über eine Gasleitung zugeführt, in der ein Gassicherheitsventil 1, ein beispielhaft über einen Motor M steuerbares Gasventil 2 sowie ein Gasmassensensor 3 angeordnet sind. Der Gaseingangsdruck d wird auf den Gasregeldruck c angepasst. Nach der Mischung mit Umgebungsluft weist das Gemisch den Gemischdruck b auf. Am Gebläseausgang ist in der gezeigten Ausführung eine optionale Rückschlagklappe 6 vorgesehen. Das Gemisch hat dann den Brennerdruck e. Daran schließt sich der Brenner 28 mit der in der Brennerflamme angeordneten Ionisationselektrode 7 und einem mit dem Brennergehäuse verbundenen Siphon 10 an. Um den Brenner 28 ist der Wärmetauscher 18 angeordnet. In Strömungsrichtung fortgesetzt folgt das Abgassystem mit der Abgasklappe 8. Im Abgassystem herrscht der Abgasdruck f. Die Regelung der Gasmenge sowie der Gebläsedrehzahl und mithin der Luftzahl erfolgt über das Steuergerät 9, in dem die Regelungskennlinien hinterlegt sind.
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2 zeigt den Teilprozess der Gemischkalibration des Regelungsverfahrens in der Kurzversion. Zunächst wird in dem Schritt 601 die Gebläsedrehzahl n des Vormischgebläses 5 über das Steuergerät 9 auf einen festen Wert eingesteuert und mittels der vorstehend beschriebenen Laufzeitmessung im Schritt 300 der tatsächliche Luftvolumenstrom vL-ist berechnet. Anschließend erfolgt unter Schritt 612 die lonisationsstromregelung bei einem festgelegtem Luftvolumenstrom vL-ist, indem die Gasmenge soweit erhöht wird, bis ein maximales lonisationsmesssignal (Io-max) erreicht ist. Aus dem maximalen lonisationsmesssignal wird der lonisationssignalsollwert (Io-soll, Io-neu) für die gewünschte Luftzahl λ errechnet und anschließend im Schritt 615 die Gasmenge soweit geregelt, bis das lonisationsmesssignal dem errechneten lonisationssignalsollwert Io-soll entspricht. Der sich im neuen Betriebspunkt ergebende Gasmassenstrom Gas-ist wird verwendet, um im Schritt 617 unter Nutzung der Luftzahl-Leistungskennlinie und mithin der Luftzahl λsoll, dem Luftvolumenstrom vL und der aktuellen Brennerleistung den Luftbedarfswert L=vL/(vG*λsoll) zu errechnen und über den Luftbedarfswert L die Gasart zu bestimmen. Die lonisationskalibrierung in der Kurzversion erfolgt bei jeder Gemischkalibration.
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3 zeigt den Teilprozess der Gemischkalibration des Regelungsverfahrens in der Langversion. Zunächst wird in den Schritten 601 und 300 die Gebläsedrehzahl n des Vormischgebläses 5 über das Steuergerät 9 auf einen festen Wert eingesteuert und der tatsächliche Luftvolumenstrom vL-ist berechnet. Anschließend erfolgt unter Schritt 605 die Ermittlung des Ionisationssignalsollwerts Io-soll unter Nutzung der Ionisations-Sollwert-Leistungskennlinie und der Brennerleistung P. Gemäß Schritt 607 wird in einem Ionisationsmessverfahren der lonisationsstrom an der Ionisationselektrode 7 durch das Steuergerät 9 gemessen und mit dem Kennlinienwert verglichen. Bei einer Übereinstimmung der Werte wird der gemessene Ionisationsstrom zur weiteren Gemischkalibration verwendet. Ist die Abweichung der Vergleichswerte größer als ein vorab definierter Schwellenwert, erfolgt eine Kalibration der Ionisations-Sollwert-Leistungskennlinie, indem unter Schritt 612 bei festgelegtem Luftvolumenstrom vL-ist die Gasmenge soweit erhöht wird, bis ein maximales Ionisationsmesssignal lo-max erreicht ist. Aus dem maximalen lonisationsmesssignal wird der lonisationssignalsollwert 624 (Io-soll) für die gewünschte Luftzahl λ (bei 625) errechnet. Gemäß Schritt 613 wird die ursprüngliche Ionisations-Sollwert-Leistungskennlinie lo-alt über ihren gesamten Leistungsbereich um das bei dem Kalibrierungspunkt der Gemischkalibration erfasste Verhältnis auf die neue lonisations-Sollwert-Leistungskennlinie Io-neu korrigiert. Die neue Ionisations-Sollwert-Leistungskennlinie Io-neu wird im Speicher des Steuergerätes 9 hinterlegt. In Schritt 615 wird die Gasmenge soweit geregelt, bis das Ionisationsmesssignal dem errechneten lonisationssignalsollwert lo-soll entspricht. Der sich im neuen Betriebspunkt ergebende Gasmassenstrom Gas-ist wird verwendet, um im Schritt 617 unter Nutzung der Soll-Luftzahl λsoll der Luftbedarfswert L=vL/(vG*λsoll) zu errechnen und über den Luftbedarfswert L die Gasart zu bestimmen. Bei der Langversion erfolgt eine lonisationskalibrierung nur in Ausnahmefällen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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