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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse für ein Steuergerät mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für ein Steuergerät mit den Merkmalen nach Anspruch 7.
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Übliche Gehäuse für Steuergeräte werden mittels eines Gussverfahrens aus Aluminium hergestellt. Dadurch können umschließende Gehäuse mit Kühlrippen bereitgestellt werden. Jedoch steigt mit steigender Rechenleistung auch die Wärmeleistung und somit der Bedarf an Kühlleistung. Wenn die passive Kühlung nicht mehr ausreicht muss eine aktive Kühlung vorgesehen werden. Diese ist aufwändig und kostenintensiv.
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Aus
DE10045728A1 ist ein Gehäuse für ein elektronisches Steuergerät bekannt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Gehäuse für ein Steuergerät vorzuschlagen, bei welchem die passive Kühlleistung verbessert ist.
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Die vorliegende Erfindung schlägt ausgehend von der vorgenannten Aufgabe ein Gehäuse für ein Steuergerät nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für ein Steuergerät nach Anspruch 7 vor. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Ein Gehäuse für ein Steuergerät weist einen Grundkörperbereich und einen Kühlkörperbereich auf. Der Grundkörperbereich ist mit dem Kühlkörperbereich stoffschlüssig verbunden. Der Grundkörperbereich ist mittels eines Gussverfahrens hergestellt. Der Kühlkörperbereich ist mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt.
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Das Steuergerät wird auch als ECU bezeichnet. Das Steuergerät kann beispielsweise in einem Fahrzeug eingesetzt werden, aber auch in einer Werkzeugmaschine, in einem Reaktor, in einer Produktionsanlage oder in anderen Systemen, in welchen eine Steuerung nötig ist.
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Das Gehäuse weist den Grundkörperbereich und den Kühlkörperbereich auf. Der Grundkörperbereich ist derjenige Bereich, der dazu ausgebildet ist, das Steuergerät zu umschließen. Dieser Grundkörperbereich kann beispielsweise ein Aufnahmeelement und ein Deckelelement aufweisen. Das Aufnahmeelement dient dazu, das Steuergerät aufzunehmen. Das Deckelelement dient dazu, mit dem Aufnahmeelement verbunden zu werden und eine Abdeckung zu schaffen. Der Grundkörperbereich kann also das Steuergerät in sich aufnehmen. Selbstverständlich ist der Grundkörperbereich derart gestaltet, dass die Kontaktierung des Steuergeräts von oder nach außen ermöglicht ist.
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Der Kühlkörperbereich des Gehäuses ist außen am Grundkörperbereich angeordnet. Das heißt, dass der Kühlkörperbereich derart angeordnet ist, dass dieser i. d. R. weiter von dem umschlossenen Steuergerät entfernt ist als der Grundkörperbereich. Der Kühlkörperbereich dient dazu, eine passive Kühlung durchzuführen. Das heißt, die Kühlung erfolgt allein durch freie Konvektion. Der Kühlkörperbereich ist dabei um ein vielfaches stärker an der passiven Kühlung beteiligt als der Grundkörperbereich. Jedoch ist der Grundkörperbereich ebenfalls an der Kühlung beteiligt, wenn auch in geringerem Maße.
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Der Grundkörperbereich ist mit dem Kühlkörperbereich stoffschlüssig verbunden. Das heißt, dass der Grundkörperbereich und der Kühlkörperbereich derart verbunden sind, dass diese nicht zerstörungsfrei voneinander getrennt werden können. Beispielsweise können Grundkörperbereich und Kühlkörperbereich zusammen einstückig ausgeformt sein.
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Der Grundkörperbereich ist mittels eines Gussverfahrens hergestellt. Der Grundkörperbereich wird beispielsweise mittels eines herkömmlichen Gussverfahrens aus einem metallischen Material, z. B. aus Aluminium, Kupfer, oder aus einem anderen geeigneten metallischen Material hergestellt. Der Kühlkörperbereich hingegen ist mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt. Beispielsweise kann der Kühlkörperbereich mittels eines Pulverbettverfahrens, mittels eines Freiraumverfahrens, oder mittels eines anderen Schichtbauverfahrens hergestellt werden. Derartige Verfahren können beispielsweise selektives Laserschmelzen (SLM), selektives Lasersintern (SLS), 3D-Siebdruck, oder ein andere geeignete Schichtbauverfahren sein. Additive Fertigungsverfahren werden auch als 3D-Druckverfahren bezeichnet. Der Kühlkörperbereich kann vorzugsweise aus demselben Material ausgeformt sein wie der Grundkörperbereich. Alternativ dazu kann der Kühlkörperbereich aus einem anderen Material ausgeformt sein als der Grundkörperbereich.
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Im Vergleich können durch das additive Fertigungsverfahren geringere Wandstärken und komplexere Formgebungen realisiert werden als durch das Gussverfahren, da das Bauelement im Schichtbauverfahren aufgebaut wird. Auch ist es möglich Hohlstrukturen zu realisieren, die aus mehreren Rohren zusammengesetzt sind. Zudem ist es möglich die Ausformung des Kühlkörperbereichs an einer Luftströmung zu orientieren und somit den Luftstrom, der an dem Gehäuse entlang fließt, auf verbesserte Art und Weise zu führen.
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Nach einer Ausführungsform ist der Kühlkörperbereich als eine aus einer Mehrzahl von Rohren zusammengesetzte Struktur ausgeformt. Diese Rohre sind dabei vorzugsweise derart orientiert, dass deren Längsachse parallel ist zu einer Deckfläche des Grundkörperbereichs. Alternativ dazu können die Rohre derart orientiert sein, dass deren Längsachse senkrecht oder schräg ist zu einer Deckfläche des Grundkörperbereichs. Die Längsachse eines Rohrs ist bei einem Rohr mit einem kreisförmigen Querschnitt diejenige Achse, zu der das Rohr rotationssymmetrisch ist. Die Rohre können beispielsweise einen kreisförmigen, einen rechteckigen, einen quadratischen, einen elliptischen, einen dreieckigen, einen hexagonalen oder einen anderen geeigneten Querschnitt aufweisen. Beispielsweise können die Rohre gleichförmig zueinander ausgeformt sein. Alternativ dazu können die Rohre voneinander verschiedene Durchmesser und/oder Querschnitte aufweisen. Die Rohre sind derart ausgeformt, dass Luft durch diese hindurch strömen kann. Die Wandstärke jedes einzelnen Rohrs kann dabei aufgrund des additiven Fertigungsverfahrens geringer gewählt werden als bei einem regulären Herstellungsverfahren wie Extrudieren, Gießen o.ä.
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Beispielsweise sind die Rohre in einer Lage auf dem Grundkörperbereich angeordnet. Das heißt, dass die Rohre nur nebeneinander entlang einer Oberfläche des Grundkörperbereichs angeordnet sind. Alternativ dazu können die Rohre mehrlagig auf dem Grundkörperbereich angeordnet sein. Diese Rohre formen somit eine Hohlstruktur aus, mittels welcher eine Oberfläche des Kühlkörperbereichs stark vergrö-ßert ist. Dadurch ist die passive Kühlleistung vergrößert und die Wärmeabfuhr verbessert.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Kühlkörperbereich als eine Mehrzahl von Kühlrippen ausgebildet. Diese Kühlrippen können aufgrund des additiven Fertigungsverfahrens eine geringere Wandstärke aufweisen als Kühlrippen, die mittels eines Gussverfahrens o. ä. hergestellt werden. Zudem können die Kühlrippen auch eine größere Höhe aufweisen als gegossene Kühlrippen. Weiterhin können die Kühlrippen einen geringeren Abstand zueinander aufweisen als gegossene Kühlrippen.
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Beispielsweise können die Kühlrippen gleichförmig zueinander ausgebildet sein. Alternativ dazu können die Kühlrippen voneinander verschieden ausgeformt sein. Einzelne oder alle Kühlrippen können beispielsweise senkrecht zu dem Grundkörperbereich angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich dazu können einzelne oder alle Kühlrippen schräg zu dem Grundkörperbereich angeordnet sein. Zudem können alle Kühlrippen die gleiche Orientierung aufweisen. Alternativ dazu können nur einige der Kühlrippen die gleiche Orientierung aufweisen. Durch diese Kühlrippen ist die Oberfläche des Kühlkörperbereichs stark vergrößert ist. Dadurch ist die passive Kühlleistung vergrößert und die Wärmeabfuhr verbessert.
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Nach einer weiteren Ausführungsform sind die Kühlrippen an den Seitenflächen des Grundkörperbereichs schräg zu diesen Seitenflächen ausgebildet. Die Seitenflächen des Grundkörperbereichs sind dabei diejenigen Flächen, die zu einem Deckelelement möglichst senkrecht ausgebildet sind. Die Kühlrippen sind derart mit den Seitenflächen des Grundkörperbereichs verbunden, dass diese nicht senkrecht zu den Seitenflächen sind. Jede Kühlrippe weist also einen Winkel zu der Seitenfläche auf, mit der sie verbunden ist. Das Verbinden der Kühlrippen mit den Seitenflächen in einem Winkel ist durch das additive Fertigungsverfahren verbessert.
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Nach einer weiteren Ausführungsform weist der Grundkörperbereich Kühlrippen-Ansätze auf, wobei der Kühlkörperbereich auf diesen Kühlrippen-Ansätzen aufgebracht ist. Ein Kühlrippen-Ansatz ist dabei ein Stumpf, auf welchen eine Kühlrippe oder ein Rohr aufgesetzt werden kann. Dieser Kühlrippenansatz kann dabei eine größere Wandstärke aufweisen als die mit ihm verbundene Kühlrippe oder als das mit ihm verbundene Rohr. Das heißt, die Kühlrippen-Ansätze weisen eine größere Breite auf als die Kühlrippen und/oder als die Wände der Rohre. Zudem kann der Kühlrippen-Ansatz eine geringere Höhe aufweisen als die mit ihm verbundene Kühlrippe.
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Die Kühlrippen-Ansätze werden vorzugsweise mittels eines Gussverfahrens gemeinsam mit dem Grundkörperbereich gefertigt. Beispielsweise ist jede Kühlrippe mit je einem Kühlrippen-Ansatz stoffschlüssig verbunden. Alternativ dazu können zwei oder mehr Kühlrippen mit je einem Kühlrippen-Ansatz stoffschlüssig verbunden sein. Wiederum alternativ dazu ist je ein Rohr mit einem Kühlrippen-Ansatz stoffschlüssig verbunden, wobei die Wand des Rohres diese stoffschlüssige Verbindung eingeht. Nochmals alternativ dazu können zwei oder mehr Rohre mit je einem Kühlrippen-Ansatz stoffschlüssig verbunden sein.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für ein Steuergerät, wobei das Gehäuse bereits in der vorherigen Beschreibung beschrieben wurde, wird zuerst der Grundkörperbereich mittels eines Gussverfahrens hergestellt. Das Gehäuse dient dazu ein Steuergerät in sich aufzunehmen und zu umschließen. Der Grundkörperbereich weist beispielsweise Kühlrippen-Ansätze auf. Danach wird der Kühlkörperbereich mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt und gleichzeitig mit dem Grundkörperbereich verbunden. Dabei wird ein Material, aus dem der Kühlkörperbereich ausgebildet wird, mittels des additiven Fertigungsverfahrens direkt auf dem Grundkörperbereich aufgebracht. Dadurch sind der Kühlkörperbereich und der Grundkörperbereich des Gehäuses stoffschlüssig miteinander verbunden.
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Anhand der im Folgenden erläuterten Figuren werden verschiedene Ausführungsbeispiele und Details der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Gehäuses nach einem Ausführungsbeispiel,
- 2 eine schematische Darstellung eines Gehäuses nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Gehäuses nach einem Ausführungsbeispiel. Das Gehäuse 1 ist in einer stark vereinfachten Schnittdarstellung dargestellt. In dieser Schnittdarstellung ist deutlich zu erkennen, dass das Gehäuse 1 ein Steuergerät 2 umschließt.
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Das Gehäuse 1 weist einen Grundkörperbereich 3 und einen Kühlkörperbereich 4 auf. Der Grundkörperbereich 3 weist wiederum ein Deckelelement 10 und ein Aufnahmeelement 11 auf. Der Grundkörperbereich 3 des Gehäuses 1 umschließt das Steuergerät 2. In anderen Worten hat der Grundkörperbereich 3 das Steuergerät 2 in seinem Aufnahmeelement 11 aufgenommen. Das Aufnahmeelement 11 ist mit dem Deckelelement 10 verbunden. Somit ist das Steuergerät 2 von Außeneinflüssen geschützt. Nicht dargestellt ist die Kontaktierung des Steuergeräts 2 nach außen.
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Der Grundkörperbereich 3 weist Kühlrippen-Ansätze 8 auf, von welchen aus Übersichtlichkeitsgründen nur einer mit einem Bezugszeichen versehen ist. Diese Kühlrippen-Ansätze 8 sind an einer Deckfläche 9 des Grundkörperbereichs 3 angeordnet. Jeder Kühlrippen-Ansatz 8 ist senkrecht zu der Deckfläche 9 des Grundkörperbereichs. Der Grundkörperbereich 3 mit seinen Kühlrippen-Ansätzen 8 ist mittels eines Gussverfahrens hergestellt. Beispielsweise ist das Aufnahmeelement 11 des Grundkörperbereichs 3 mittels eines Gussverfahrens hergestellt. Beispielsweise kann der Grundkörperbereich aus Aluminium ausgeformt sein.
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Das Gehäuse 1 weist den Kühlkörperbereich 4 auf, der zur passiven Kühlung dient. Dieser Kühlkörperbereich 4 ist mittels mehrerer Kühlrippen 6 ausgeformt, von welchen aus Übersichtlichkeitsgründen nur drei mit einem Bezugszeichen versehen sind. Der Kühlkörperbereich 4 ist mit dem Grundkörperbereich 3 stoffschlüssig verbunden. Der Kühlkörperbereich 4 ist mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt und so mit dem Grundkörperbereich 3 verbunden. Der Kühlkörperbereich 4 ist vorzugsweise aus demselben Material ausgeformt wie der Grundkörperbereich 3.
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Der Kühlkörperbereich 4 weist sowohl Kühlrippen 6 auf, die mit den Kühlrippen-Ansätzen 8 verbunden sind, als auch Kühlrippen 6, die mit den Seitenflächen 7 des Grundkörperbereichs 3 verbunden sind. Die Kühlrippen 6 an den Seitenflächen 7 sind derart mit dem Grundkörperbereich 3 verbunden, dass diese je einen Winkel zu der jeweiligen Seitenfläche 7 aufweisen. Die Kühlrippen 6 sind also schräg zu den Seitenflächen 7 angeordnet. Diese Schrägstellung ist durch das additive Fertigungsverfahren ermöglicht.
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Die Kühlrippen 6, die mit den Kühlrippen-Ansätzen 8 verbunden sind, weisen eine geringere Breite, d. h. eine geringere Wandstärke auf, als die Kühlrippen-Ansätzen 8. Die Kühlrippen 6, die mit den Seitenflächen 7 verbunden sind, können z. B. dieselbe Wandstärke aufweisen, wie die Kühlrippen 6, die mit den Kühlrippen-Ansätzen 8 verbunden sind. Diese geringere Breite ist durch das additive Fertigungsverfahren ermöglicht. Die Oberfläche, die zum Kühlen zur Verfügung steht, ist durch die Kühlrippen 6 vergrößert.
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Die Wärme, die durch den Betrieb des Steuergeräts 2 erzeugt wird, wird zuerst über den Grundkörperbereich 3 und dann über den Kühlkörperbereich 4 abgegeben. Dabei ist der Kühlkörperbereich 4 stärker an der Wärmeabgabe beteiligt als der Grundkörperbereich 3. Die passive Kühlleistung ist durch den Kühlkörperbereich 4 stark erhöht im Vergleich zu einem herkömmlichen Gehäuse.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Gehäuses nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das Gehäuse 1 ist in einer stark vereinfachten Schnittdarstellung dargestellt. In dieser Schnittdarstellung ist deutlich zu erkennen, dass das Gehäuse 1 ein Steuergerät 2 umschließt.
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Wie bereits unter 1 dargestellt, weist das Gehäuse 1 einen Grundkörperbereich 3 und einen Kühlkörperbereich 4 auf. Der Grundkörperbereich 3 weist wiederum ein Deckelelement 10 und ein Aufnahmeelement 11 auf. Der Grundkörperbereich 3 des Gehäuses 1 umschließt das Steuergerät 2. Das Aufnahmeelement 11 ist mit dem Deckelelement 10 verbunden. Somit ist das Steuergerät 2 von Außeneinflüssen geschützt. Nicht dargestellt ist die Kontaktierung des Steuergeräts 2 nach außen.
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Der Grundkörperbereich 3 ist mittels eines Gussverfahrens hergestellt. Beispielsweise ist das Aufnahmeelement 11 des Grundkörperbereichs 3 mittels eines Gussverfahrens hergestellt. Beispielsweise kann der Grundkörperbereich aus Aluminium ausgeformt sein.
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Das Gehäuse 1 weist den Kühlkörperbereich 4 auf, der zur passiven Kühlung dient. Der Kühlkörperbereich 4 ist mit dem Grundkörperbereich 3 stoffschlüssig verbunden. Der Kühlkörperbereich 4 ist mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt und so mit dem Grundkörperbereich 3 verbunden. Der Kühlkörperbereich 4 ist vorzugsweise aus demselben Material ausgeformt wie der Grundkörperbereich 3.
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Dieser Kühlkörperbereich 4 ist mittels mehrerer Rohre 5, die einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, ausgeformt, von welchen aus Übersichtlichkeitsgründen nur eines mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Rohre 5 sind gleichförmig zueinander ausgeformt und miteinander verbunden. Der Kühlkörperbereich 4 ist mittels dreier Lagen Rohre 5 ausgeformt. Eine Lage ist jeweils parallel zu einer Deckfläche 9 angeordnet. Jedes Rohr 5 weist eine Längsachse 12 auf, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen nur eine Längsachse 12 eines einzelnen Rohrs 5 eingezeichnet ist. Jede Längsachse 12 ist parallel zu der Deckfläche 9 des Grundkörperbereichs 3 angeordnet.
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Die Rohre 5 des Kühlkörperbereichs 4 formen eine Hohlstruktur aus. Das additive Fertigungsverfahren ermöglicht die Herstellung dieser Hohlstruktur. Da die Rohre 5 offen sind, kann Luft zum Kühlen durch diese hindurch strömen. Die Oberfläche, die zum Kühlen zur Verfügung steht, ist dadurch vergrößert. Die Wärme, die durch den Betrieb des Steuergeräts 2 erzeugt wird, wird zuerst über den Grundkörperbereich 3 und dann über den Kühlkörperbereich 4 abgegeben. Dabei ist der Kühlkörperbereich 4 stärker an der Wärmeabgabe beteiligt als der Grundkörperbereich 3. Die passive Kühlleistung ist durch den Kühlkörperbereich 4 stark erhöht im Vergleich zu einem herkömmlichen Gehäuse.
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Die hier dargestellten Beispiele sind nur beispielhaft gewählt. Beispielsweise können mehrere Rohre mit den Kühlrippenansätzen verbunden werden. Wiederum beispielsweise können die Rohre nur in einer Lage mit dem Grundkörperbereich verbunden sein. Zudem können Rohre mit den Seitenflächen des Grundkörperbereichs verbunden sein. Wiederum beispielsweise können Rohre derart mit dem Grundkörperbereich verbunden sein, dass ihre Längsachsen senkrecht oder schräg zu der Deckfläche oder den Seitenflächen des Grundkörperbereichs angeordnet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Steuergerät
- 3
- Grundkörperbereich
- 4
- Kühlkörperbereich
- 5
- Rohr
- 6
- Kühlrippe
- 7
- Seitenfläche
- 8
- Kühlrippen-Ansätze
- 9
- Deckfläche
- 10
- Deckelelement
- 11
- Aufnahmeelement
- 12
- Längsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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