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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Spule, eine Spule, die mit einem derartigen Verfahren hergestellt wurde, sowie ein Kraftfahrzeug, das eine derartige Spule aufweist.
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Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen weisen häufig Statoren und/oder Rotoren auf, die zu Spulen aufgewickelte Drähte umfassen. Die Drähte, aus denen diese Spulen hergestellt sind, sind in der Regel außen elektrisch isoliert, um eine Gefahr eines möglichen Kurzschlusses innerhalb der Spule zu reduzieren. Wird jedoch die elektrische Maschine des Kraftfahrzeugs mit besonders hoher Energie betrieben, kann es aufgrund einer Temperaturerhöhung in der Spule zu einem Aufschmelzen der Außenisolierung der Drähte kommen, wodurch sich die Gefahr eines möglichen Kurzschlusses erhöht.
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In der
DE 2 257 720 A1 wird eine Kabelanlage mit Leiterkühlung beschrieben, wobei die Leiterkühlung hohle Leiter ausnutzt, durch die ein flüssiges Kühlmittel geleitet wird. Hierbei fließt in einem Hohlleiter, der von einer Hochspannungsisolierung und einem Kabelmantel umgeben ist, Wasser, das in einer Kühlvorrichtung abgekühlt wird.
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In der
DE 10 2005 049 101 A1 sowie in der
DE 23 41 974 A1 werden jeweils Verfahren zum Biegen beziehungsweise Umformen von Rohren beschrieben. Hierbei werden die Rohre jeweils mit Wasser befüllt, das daraufhin eingefroren wird. Dadurch wird erreicht, dass die Rohre bei einem Biegevorgang vor einem Kollabieren geschützt werden. Anschließend kann das gefrorene Wasser aufgetaut und aus den umgeformten Rohren abgelassen werden.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mit der eine Spule aus einem aufgewickelten Draht besonders effizient gekühlt werden kann.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen einer Spule sowie eine derartig hergestellte Spule gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Spule umfasst folgende Schritte: Bereitstellen wenigstens eines elektrisch leitenden Drahts, der einen sich in einer Drahtlängsrichtung erstreckenden Hohlraum aufweist, Ausfüllen des Hohlraums des Drahts mit einem Fluid und Herabkühlen des ausgefüllten Drahts unter einen Gefrierpunkt des Fluids. Nachdem das Fluid im Hohlraum fest geworden ist, erfolgt ein Aufwickeln des Drahts zur Spule.
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Das erfindungsgemäße Verfahren basiert somit darauf, dass zum Herstellen der Spule ein Draht verwendet wird, der einen durchgehenden Hohlraum aufweist. Der Hohlraum des Drahts ist somit an einem Drahtanfang sowie an einem Drahtende von außen her offen zugänglich. Dieser durchgehende Hohlraum weist einen vorgegebenen Hohlraumdurchmesser auf. Ein derartiger Draht kann auch als sogenannter Hohlleiterdraht bezeichnet werden. Je nachdem, welche Art von Spule hergestellt werden soll, das heißt welche Spulwickeltechnik verwendet wird, wird zumindest ein derartiger Draht mit einem Hohlraum bereitgestellt. Der zumindest eine Draht ist zudem elektrisch leitend. Es kann sich somit bei dem verwendeten Draht beispielsweise um einen Kupferdraht mit einem Hohlraum handeln.
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In einem ersten Verfahrensschritt, nach dem Bereitstellen des wenigstens einen elektrisch leitenden Drahts mit einem Hohlraum, erfolgt ein Befüllen des Hohlraums des zumindest einen Drahts mit einem Medium. Bei diesem Medium handelt es sich um ein Fluid, das heißt um eine Flüssigkeit oder ein Gas. Bei dem Fluid kann es sich beispielsweise um Wasser, eine basische Lösung oder ein Gas mit einem relativ hohen Gefrierpunkt handeln. Sobald der Hohlraum des wenigstens einen Drahts mit dem Fluid vollständig ausgefüllt ist, wird der Draht herabgekühlt, das heißt der Draht wird so lange abgekühlt, bis die Temperatur des Fluids in dem Hohlraum des Drahts so weit abgekühlt ist, dass diese unterhalb des materialabhängigen Gefrierpunkts des Fluids liegt.
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Der wenigstens eine Draht wird dann, sobald das Fluid im Hohlraum erstarrt beziehungsweise resublimiert ist, zur Spule mit gewünschter Form aufgewickelt. Hierdurch wird erreicht, dass der Hohlraumdurchmesser der aufgewickelten Spule durch das Aufwickeln so gut wie unbeeinflusst bleibt. Die fertig hergestellte Spule weist somit einen durchgängigen Hohlraum auf. Die Spule ist daher beispielsweise dazu ausgelegt, dass eine Kühlflüssigkeit durch den wenigstens einen Draht der Spule zum Kühlen der Spule zirkuliert.
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Insbesondere da die für Spulen verwendeten Drähte in der Regel besonders kleine Durchmesser von wenigen Millimetern aufweisen, kann es durch die starke Verformung eines Drahts mit einem Hohlraum bei Verwendung von herkömmlichen Spulenwickeltechniken zu einer starken Verformung der einzelnen Drähte kommen, sodass die Durchgängigkeit des Hohlleiters nicht zu garantieren ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist jedoch die Herstellung einer Spule bestehend aus elektrisch leitenden Drähten, die jeweils einen durchgängigen Hohlraum aufweisen, der in etwa einen konstanten Hohlraumdurchmesser aufweist, möglich.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mit dem Aufwickeln des wenigstens einen Drahts zur Spule der wenigstens eine Draht über den Gefrierpunkt des Fluids erwärmt und das Fluid mittels eines komprimierten Gases aus dem Hohlraum entfernt wird. Die fertig aufgewickelte Spule wird also derart erwärmt, dass es zu einem Schmelzen beziehungsweise Sublimieren des Fluids im Hohlraum, bei dem es sich um eine Flüssigkeit oder ein Gas handeln kann, erfolgt. Daraufhin kann das nun nicht mehr feste Fluid aus dem Hohlraum entfernt werden. Dies kann mithilfe eines expandierenden, jedoch zuvor komprimierten Gases geschehen. Hierfür kann beispielsweise Druckluft oder komprimierter Stickstoff verwendet werden. Mithilfe des komprimierten Gases kann somit das Fluid besonders schnell und gründlich aus dem gegebenenfalls relativ kleinen Hohlraum des wenigstens einen Drahts der Spule entfernt werden. Durch den nun entstandenen mit Luft gefüllten Hohlraum in dem wenigstens einen Draht der Spule kann bereits eine gewisse Kühlung des Drahtes erreicht werden, da bei einer Verwendung der Spule entstandene Wärme die Luft im Hohlraum des wenigstens einen Drahts erwärmt, die wiederum im Austausch mit kühlerer Umgebungsluft außerhalb des Hohlraums steht, wodurch Wärme von der Spule in die Umgebungsluft abgegeben werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass, nachdem das Fluid aus dem Hohlraum entfernt worden ist, der Hohlraum mit einem Kühlfluid befüllt wird. Nachdem das Fluid innerhalb des wenigstens einen Drahts der Spule auf eine Temperatur oberhalb seines Gefrierpunkts erwärmt wurde und aus dem Hohlraum entfernt worden ist, kann ein zweites Fluid, das als Kühlfluid verwendbar ist, in den Hohlraum eingeleitet werden. Hierdurch ist es möglich, dass beispielsweise mithilfe einer Kühlvorrichtung, die an den wenigstens einen Draht mit Hohlraum der Spule angeschlossen ist, ein Kühlkreislauf realisierbar ist. In diesem Kühlkreislauf kann beispielsweise wiederholt gekühltes Wasser als Kühlfluid durch den Hohlraum geleitet werden. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Kühlung der Spule während deren Betrieb beispielsweise als Teil eines Stators einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs.
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Eine weitere Gestaltungsform der Erfindung sieht vor, dass nach dem Aufwickeln des wenigstens einen Drahts zur Spule der wenigstens eine Draht über den Gefrierpunkt des Fluids erwärmt wird und das Fluid als Kühlfluid im Hohlraum verbleibt. Es ist also möglich, dass das Fluid, das im Rahmen der Spulenherstellung verwendet wurde, auch als Kühlfluid weiterverwendet wird. Erfolgt beispielsweise die Herstellung der Spule mithilfe von einem Ausfüllen des Hohlraums des wenigstens einen Drahts mit Wasser, kann das bereits in den Hohlraum des wenigstens einen Drahts ausfüllende Wasser, nachdem der wenigstens eine Draht zur Spule aufgewickelt wurde, als Kühlfluid weiterverwendet werden. Hierfür wird das nun wieder erwärmte und geschmolzene Wasser mithilfe beispielsweise einer entsprechenden Kühlvorrichtung durch den Hohlraum der aufgewickelten Spule bewegt. Hierdurch ist es mit besonders geringem Aufwand möglich, eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Spule anschließend zu kühlen, indem mithilfe einer entsprechenden Kühlvorrichtung das sich bereits im Hohlraum befindende Fluid als kühlendes Fluid durch den Hohlraum der aufgewickelten Spule zirkuliert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der wenigstens eine Draht außen mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet wird. Der wenigstens eine Draht weist somit an seiner Mantelfläche beziehungsweise an Seitenflächen entlang der Drahtlängsrichtung eine Beschichtung auf. Diese Beschichtung ist aus einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise einem zum Imprägnieren des Drahts geeigneten industriellen Lack, zum Beispiel aus Kunstharz, Polyester oder Epoxidharz. Durch diese Beschichtung des wenigstens einen Drahts wird erreicht, dass beispielsweise ein an sich elektrisch leitender Kupferdraht nach außen hin elektrisch isoliert ist, wodurch ein möglicher Kurzschluss innerhalb der aufgewickelten Spule verhindert werden kann.
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Erfindungsgemäß ist zudem eine Spule vorgesehen, die mittels des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt wurde. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgestellten bevorzugten Ausgestaltungen und deren Vorteile gelten entsprechend, soweit anwendbar, für die erfindungsgemäße Spule.
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Erfindungsgemäß ist außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine vorgesehen, wobei die elektrische Maschine einen Stator und/oder Rotor umfasst, der wiederum eine mit dem oben beschriebenen Verfahren hergestellte Spule aufweist. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgestellten bevorzugten Ausgestaltungen und deren Vorteile gelten entsprechend, soweit anwendbar, für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug, das eine derartige Spule aufweist.
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Anstelle einer elektrischen Maschine kann die Spule auch Bestandteil eines Stators und/oder Rotors eines Elektromotors, eines Generators, einer Pumpe, eines Drehzahlsensors oder eines Drehzahlgebers sein. Letztendlich eignet sich die beschriebene Spule für zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, bei denen es sinnvoll ist, eine aufgewickelte Spule besonders zu kühlen, wobei eine innere Kühlung der Spule, das heißt eine Kühlung der einzelnen Drähte der Spule, sinnvoll ist, da beispielsweise eine externe Kühlung durch eine außerhalb der Spule angebrachte Kühlvorrichtung, zum Beispiel aufgrund von begrenztem Platz, nicht realisierbar ist.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine Längsschnittansicht und eine Querschnittansicht eines Drahts mit einem Hohlraum sowie des gleichen Drahts, nachdem dieser mit einem herkömmlichen Verfahren aufgewickelt wurde,
- 2 eine Längsschnittansicht und eine Querschnittansicht eines Drahts mit einem mit einem Fluid befüllten Hohlraum sowie des gleichen Drahts, nachdem dieser mit einem erfindungsgemäßen Verfahren aufgewickelt wurde; und
- 3 eine Querschnittansicht einer Spule, die aus einem Draht mit einem Hohlraum mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente. In den Figuren sind jeweils Koordinatensysteme skizziert, deren Achsen mit den Buchstaben X, Y und Z beschriftet sind.
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In 1 ist links ein Draht 10 skizziert, der einen Hohlraum 12 aufweist. Der Draht 10 ist in einer Drahtlängsrichtung 11 skizziert, wobei sich der Hohlraum 12 entlang einer gesamten Drahtausstreckung in der Drahtlängsrichtung 11 erstreckt. In einer Mitte des Drahts 10 ist eine gestrichelte Mittellinie 14 eingezeichnet. Zudem ist oberhalb des in Drahtlängsrichtung 11 skizzierten Drahts 10 eine Querschnittsdarstellung des Drahts 10 skizziert.
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In 1 ist zudem rechts neben der Skizze des Drahts 10 der im Rahmen einer Drahtwickelung des Drahts 10 entstehende verbogene Draht 10' zu sehen, der hergestellt wird, wenn der Draht 10 mit Hohlraum 12 gemäß einer herkömmlichen Wickelfertigungstechnik verformt wird. Sowohl anhand der Skizze in Drahtlängsrichtung 11 des gewickelten Drahts 10' als auch anhand der oberhalb davon angeordneten Querschnittsdarstellung des gewickelten Drahts 10' zeigt sich, dass im Bereich der Biegung des Drahts 10' der Hohlraum 12 stark eingeengt wird. Es kommt somit zu einer Reduzierung des Durchmessers des Hohlraums 12 im Bereich der Biegung des Drahts 10'.
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In 2 ist links ebenfalls der Draht 10 skizziert, der den Hohlraum 12 aufweist. Der hier skizzierte Draht 10 ist jedoch mit einem Fluid 16 befüllt. Das Fluid 16, bei dem es sich beispielsweise um Wasser handelt, wird nun auf eine Temperatur unterhalb eines Gefrierpunkts des Fluids, das heißt auf Temperaturen unterhalb von 0 Grad Celsius, abgekühlt. Das Fluid 16 wird somit verfestigt, das heißt es wird zum Erstarren gebracht.
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Nachdem das Fluid 16 im Hohlraum 12 fest geworden ist, erfolgt das Aufwickeln des Drahts 10 zur Spule 20 (siehe Bezugszeichen 20 in 3), das heißt der Draht 10 wird zum gewickelten Drahts 10' verformt, wie es in 2 rechts skizziert ist. Sowohl bei der rechten Darstellung in Drahtlängsrichtung 11 als auch bei der darüber dargestellten Querschnittsdarstellung des gewickelten Drahts 10' ist eindeutig zu sehen, dass es unter Verwendung des beschriebenen Herstellungsverfahrens zu einer kaum merklichen Beeinflussung des Durchmessers des Hohlraums 12 des gewickelten Drahts 10' gekommen ist. 2 zeigt daher einen gewickelten Draht 10', dessen Hohlraum 12 durchgängig ist und durchgängig den in etwa konstanten Durchmesser des Hohlraums 12 aufweist.
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Durch diesen durchgängigen Hohlraum 12 kann nun beispielsweise eine Kühlflüssigkeit geleitet werden, was mithilfe einer entsprechenden Kühlvorrichtung erfolgen kann. Bei diesem sogenannten Kühlfluid kann es sich entweder ebenfalls um Wasser handeln, also um das bereits in den Hohlraum 12 eingefüllte Fluid 16, oder um ein nachträglich in den Hohlraum 12 eingeführtes Fluid 16. Damit dies möglich ist, das heißt damit ein anderes Fluid 16 als beispielsweise Wasser in den Hohlraum 12 eingeführt werden kann, muss zunächst der Draht 10' auf eine Temperatur oberhalb des Gefrierpunkts des Fluids 16, das heißt auf eine Temperatur oberhalb von 0 Grad Celsius im Falle von Wasser als Fluid 16, erwärmt werden. Das Fluid 16, bei dem es sich um eine Flüssigkeit oder ein Gas handeln kann, wird somit wieder in einen flüssigen beziehungsweise gasförmigen Aggregatszustand versetzt und kann daraufhin innerhalb des Hohlraums 12 bewegt werden.
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Zum einen kann das wieder bewegliche Fluid 16 mithilfe eines komprimierten Gases wie beispielsweise Druckluft oder komprimierten Stickstoff aus dem Hohlraum 12 entfernt werden. Alternativ dazu kann das erwärmte Fluid 16 aus dem aufgewickelten Draht 10 herauslaufen, beispielsweise unterstützt durch ein Bewegen der hergestellten Spule 20. Daraufhin kann der Hohlraum 12 des gewickelten Drahts 10' mit einem vorgegebenen Kühlfluid, das heißt dem zum Kühlen ausgelegten Gas oder der zum Kühlen ausgelegten Flüssigkeit, befüllt werden. Alternativ dazu kann jedoch auch, wie bereits oben beschrieben, als Kühlfluid das Fluid 16 verwendet werden, das lediglich erwärmt, jedoch nicht aus dem Hohlraum 12 entfernt wird.
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In 3 ist eine Spule 20 mit einem Spulenkern 22 skizziert, die aus wenigstens einem elektrisch leitenden Draht 10 aufgewickelt ist. Der aufgewickelte Draht 10' weist ebenfalls den Hohlraum 12 auf, wobei das Aufwickeln des Drahts 10 zur Spule 20 mithilfe des oben beschriebenen Verfahrens erfolgt ist. Der aufgewickelte Draht 10' weist zudem eine Beschichtung aus einem isolierenden Material 18 auf. Mithilfe dieses elektrisch isolierenden Materials 18, bei dem es sich beispielsweise um ein Kunstharz, Polyester oder Epoxidharz handelt, kann wenn durch die Spule 20 ein Strom fließt ein Kurzschluss zwischen einzelnen Teilen des aufgewickelten Drahts 10' verhindert werden.
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Eine derartig aufgewickelte Spule 20 kann beispielsweise in einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Voraussetzung hierfür ist, dass die elektrische Maschine des Kraftfahrzeugs einen Stator und/oder Rotor umfasst, der wiederum die Spule 20 aufweist. Alternativ zu einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs kann eine derartige Spule 20 beispielsweise im Rahmen eines Drehzahlsensors oder eines Drehzahlgebers verbaut werden.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie eine Spule 20 derart hergestellt werden kann, dass diese aus wenigstens einem aufgewickelten elektrisch leitenden Draht 10' besteht, der in Drahtlängsrichtung 11 den Hohlraum 12 aufweist und der im Rahmen der Herstellung, das heißt im Rahmen der Aufwicklung des Drahts 10 zum aufgewickelten Draht 10', in seinem Durchmesser nicht merklich verändert wird. Da der wenigstens eine Draht 10' der Spule 20 den durchgängigen Hohlraum 12 aufweist, ist ein besonders vorteilhaftes Kühlen der Spule 20 von innen heraus, beispielsweise mithilfe von Luft oder einem Kühlfluid wie beispielsweise Wasser, möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2257720 A1 [0003]
- DE 102005049101 A1 [0004]
- DE 2341974 A1 [0004]
