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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompensation einer Volumenänderung eines Fluids bei einem Phasenübergang von flüssig nach fest mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Filter und ein Fördermodul jeweils mit einer solchen Vorrichtung.
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Bei dem Fluid handelt es sich um ein gefrierfähiges Fluid, das in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur von der flüssigen Phase in eine feste Phase übergeht. Vorzugsweise ist das Fluid eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors.
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Stand der Technik
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Die Abgase von Verbrennungsmotoren müssen aufgrund gesetzlicher Vorgaben bestimmte Schadstoff-Grenzwerte einhalten. Zur Einhaltung dieser Grenzwerte kommen Abgasnachbehandlungssysteme zum Einsatz, mittels welcher beispielsweise die Stickoxidkonzentration im Abgas gesenkt werden kann. Der Betrieb eines solchen Abgasnachbehandlungssystems erfordert das Einbringen eines Reduktionsmittels, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, in einen Abgasstrang des Verbrennungsmotors. Das Einbringen erfolgt mit Hilfe eines am Abgasstrang angeordneten Dosiermoduls eines Dosiersystems, das neben dem Dosiermodul in der Regel einen Tank und ein Fördermodul für das Reduktionsmittel umfasst.
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Die wässrige Harnstofflösung weist den Nachteil auf, dass sie bei Temperaturen unter - 11°C gefriert. Der Phasenübergang von flüssig nach fest führt zu einer Volumenzunahme, die zu Beschädigungen an den fluidführenden Komponenten des Dosiersystems führen können („Eisdruckschäden“). Um dies zu verhindern, kann in einem fluidführenden Bereich einer Komponente des Dosiersystems, beispielsweise in das Fördermodul, ein elastisch verformbares Element zur Kompensation der Volumenzunahme integriert werden.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2015 220 957 A1 ist beispielsweise ein eisdruckfestes Fluidfördermodul bekannt, das einen Druckpulsdämpfer zur Kompensation von Druckschwankungen des zu fördernden Fluids umfasst.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2012 223 009 A1 und der Offenlegungsschrift
DE 10 2012 223 020 A1 gehen ferner Vorrichtungen zur Dämpfung von Druckschwankungen in einem Fluid hervor, die jeweils zwei Halbschalen aus Kunststoff umfassen, die von einer elastisch verformbaren Schutzhülle umgeben sind. Zwischen den beiden Halbschalen ist entweder ein Federelement oder ein Elastomerdämpfer angeordnet, das die beiden Halbschalen gegen die Schutzhülle drückt.
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Ein weiteres Dämpfungselement zur hydraulischen und/oder pneumatischen Dämpfung von Druckschwankungen in einer fluidführenden Anordnung ist der Offenlegungsschrift
DE 10 2011 087 856 A1 zu entnehmen. Es umfasst eine Wand mit zumindest einem Wandabschnitt, der unter Fluiddruck elastisch nachgeben kann.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kompensation einer Volumenzunahme eines Fluids bei einem Phasenübergang von flüssig nach fest anzugeben, die vergleichsweise einfach aufgebaut und zugleich besonders effektiv ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus werden ein Filter und ein Fördermodul mit einer solchen Vorrichtung angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Kompensation einer Volumenänderung eines Fluids bei einem Phasenübergang von flüssig nach fest. Die Vorrichtung umfasst ein Federelement, das von einer zumindest bereichsweise elastisch verformbaren oder flexiblen Hülle umgeben ist. Erfindungsgemäß ist das Federelement ein metallisches Rohr, das im Querschnitt zumindest einmal oder zweimal unterbrochen ist und in radialer Richtung unter einer Vorspannung an der Hülle anliegt.
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Dadurch, dass das Rohr im Querschnitt zumindest einmal oder zweimal unterbrochen ist, kann sich das Federelement elastisch verformen, wobei es - analog einem Sprengring - seine Querschnittsform ändert. Über die elastische Verformung des Federelements wiederum kann die gewünschte Kompensationsleistung erbracht werden.
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Zu einer elastischen Verformung des Federelements kommt es beispielsweise dann, wenn der außenseitig an der Hülle anliegende Fluiddruck steigt, beispielsweise aufgrund eines Gefrierens zumindest eines Teils des Fluids, das dadurch eine Volumenzunahme erfährt. Die Volumenzunahme wird dann durch die elastische Verformung des Federelements kompensiert. Mit Hilfe der vorgeschlagenen Vorrichtung kann somit in einfacher Weise die Eisdruckfestigkeit einer fluidführenden Komponente gesteigert werden. Die Nachgiebigkeit des Federelements in radialer Richtung kommt dabei der Richtung der Gefrierfont entgegen, so dass eine optimale Kompensationswirkung erzielbar ist.
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Dadurch, dass das Federelement aus einem metallischen Werkstoff gefertigt ist, weist es - insbesondere im Vergleich zu einem Feder- oder Dämpfungselement aus einem Elastomermaterial - eine geringe Temperaturabhängigkeit der Kompensationswirkung auf. Ferner treten keine oder nur geringfügige Kriech- und/oder Setzeffekte auf, so dass die gewünschte Kompensationswirkung auch auf Dauer erzielbar ist.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung ist zudem vergleichsweise einfach aufgebaut, da sie neben dem Federelement und der Hülle keine weiteren Bauteile zur Realisierung der gewünschten Kompensationswirkung erfordert. Insbesondere kann auf einen innenliegenden Elastomerkörper als Dämpfungselement verzichtet werden, der nur ein begrenztes Kompensationsvolumen aufweist und wobei die Volumenfreigabe temperaturabhängig ist. Kriech- und Setzeffekte können zudem eine vollständige Rückstellung des Dämpfungselements erschweren.
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Das Federelement der vorgeschlagenen Vorrichtung kann beispielsweise als ein- oder mehrfach geschlitztes Rohr ausgeführt sein. Das heißt, dass das Rohr seitlich offen ist. Dadurch ist sichergestellt, dass sich das Federelement unter Einwirkung einer außen an der Hülle in radialer Richtung wirkenden Druckkraft elastisch verformen kann. Die Hülle ist zumindest bereichsweise elastisch verformbar oder flexibel ausgeführt, so dass auch diese sich unter Einwirkung einer radial außen anliegenden Druckkraft verformt. Sofern die Verformung der Hülle nicht elastisch ist, kann die Rückstellung der Hülle in ihre Ausgangsform auch allein durch das Federelement bewirkt werden.
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Das Federelement der vorgeschlagenen Vorrichtung kann insbesondere eine von der Kreisform abweichende, vorzugsweise spiegelsymmetrische, Querschnittsform aufweisen. Je stärker die Querschnittsform von der Kreisform abweicht, desto größer ist das zur Verfügung stehende Kompensationsvolumen. Eine im Querschnitt spiegelsymmetrische Ausführung des Federelements trägt zu einer gleichmäßigen Verformung des Federelements in Umfangsrichtung bei.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Federelement im Querschnitt mindestens einen konkav geformten Abschnitt auf. Der mindestens eine konkav geformte Abschnitt kann insbesondere gegenüberliegend der mindestens einen Unterbrechung des Rohrs angeordnet sein. Auch diese Maßnahme trägt zu einer gleichmäßigen Verformung des Federelements in Umfangsrichtung bei. Weist das Federelement im Querschnitt mindestens zwei konkave Abschnitte auf, liegen diese sich vorzugsweise diametral gegenüber, so dass eine gleichmäßige Verformung über den Umfang des Federelements erreicht wird.
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Des Weiteren bevorzugt weist das Federelement im Querschnitt mehrere konvex geformte Abschnitte mit unterschiedlichen Radien auf. Auf diese Weise können herz- oder nierenförmige Querschnittsformen geschaffen werden.
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Ferner können konkave und konvexe Abschnitte kombiniert werden, so dass beispielsweise blütenähnliche Querschnittsformen realisierbar sind.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass das Federelement im Querschnitt mindestens ein freies Ende aufweist, das nach innen gebogen ist. Das freie Ende entsteht durch die mindestens eine Unterbrechung des Rohres. Dadurch, dass das freie Ende im Querschnitt nach innen gebogen, kommt die durch das freie Ende gebildete Kante innen im Rohr zu liegen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die das Federelement umgebende Hülle bei einer elastischen Verformung des Federelements durch die Kante nicht verletzt wird. Vorzugsweise liegen sich zwei freie Enden, die jeweils nach innen gebogen sind, an einem Spalt gegenüber. Auf diese Weise kann das Verletzungsrisiko der das Federelement umgebenden Hülle weiter reduziert werden. Die Unterbrechung des Rohres wird in diesem Fall über den Spalt definiert.
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Das Federelement kann im Querschnitt auch mindestens einen gerade verlaufenden Abschnitt aufweisen. Beispielsweise kann ein gerade verlaufender Abschnitt zwischen einem konvex und einem konkav geformten Abschnitt oder zwischen zwei konvex oder zwei konkav geformten Abschnitten mit unterschiedlichen Radien angeordnet sein. Auf diese Weise können fließende Übergänge geschaffen werden, so dass weder Ecken noch Kanten ausgebildet werden. Denn auch diese könnten die Hülle verletzen, die das Federelement umgibt.
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Ferner kann das Federelement eine S-förmige Querschnittsform mit einem gerade verlaufenden Mittelabschnitt aufweisen. In diesem Fall kommen die beiden freien Enden auf gegenüberliegenden Seiten des gerade verlaufenden Mittelabschnitts zu liegen. Zudem weist das Rohr im Querschnitt zwei Unterbrechungen auf.
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Bevorzugt ist das Federelement aus einem Metallblech, beispielsweise Stahlblech, gefertigt. Das Federelement kann somit durch einfaches Umformen kostengünstig hergestellt werden. Ferner sind beliebige Querschnittsformen realisierbar. Das Metallblech weist vorzugsweise eine Blechdicke zwischen 0,2 mm und 0,4 mm auf, so dass eine ausreichende elastische Verformbarkeit gewährleistet ist.
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Die das Federelement umgebende Hülle ist bevorzugt aus einem Elastomermaterial gefertigt. Die Hülle selbst ist demnach ebenfalls elastisch verformbar, so dass sie eigene Rückstellkräfte besitzt. Sofern die Hülle lediglich aus einem flexiblen Material gefertigt ist, wird die Rückstellung der Hülle über die Rückstellung des Federelements bewirkt.
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Vorteilhafterweise ist die Hülle an zumindest einem Ende geschlossen ausgeführt. Das innenliegende Federelement ist somit durch die Hülle vor Kontakt mit dem Fluid und damit vor Korrosion geschützt.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Hülle in axialer Richtung unmittelbar oder mittelbar über einen Stützkörper am Federelement abgestützt ist. Der Stützkörper schützt die Hülle vor Verletzungen durch das Federelement. Der Stützkörper ist hierzu bevorzugt stirnseitig am Federelement angeordnet. Die Form des Stützkörpers kann beliebig gewählt werden, beispielsweise kann der Stützkörper plattenförmig oder halbkugelförmig ausgeführt sein. Vorteilhafterweise ist die Außenkontur des Stützkörpers an die Innenkontur der Hülle angepasst, so dass die Hülle vollflächig anliegt und damit optimal abgestützt ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in ein Fördermodul eines Dosiersystems für ein gefrierfähiges Fluid, insbesondere für eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, integriert. Die Vorrichtung verhindert in diesem Fall, dass das Fördermodul bei tiefen Temperaturen und gefrierendem Fluid Schaden durch Eisdruck nimmt. Sofern in das Fördermodul ein Filter integriert ist, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Filterkammer des Filters angeordnet werden.
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Des Weiteren wird daher ferner ein Filter mit einer Filterkammer vorgeschlagen, in der eine erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest abschnittsweise aufgenommen ist. Die Filterkammer wird vorzugsweise von einem hohlzylinderförmigen Filtermaterial begrenzt, das weiterhin vorzugsweise zwischen zwei Endscheiben angeordnet ist. Das Filtermaterial definiert somit eine zylinderförmige Filterkammer, in welche die erfindungsgemäße Vorrichtung einfach eingesetzt werden kann.
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Darüber hinaus wird ein Fördermodul für ein gefrierfähiges Fluid, insbesondere für eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, vorgeschlagen, das einen fluidführenden Bereich umfasst, in dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder ein erfindungsgemäßer Filter integriert ist bzw. sind. Mit Hilfe der Vorrichtung bzw. mit Hilfe des Filters können Eisdruckschäden am Fördermodul vermieden werden. Dies weist ferner den Vorteil auf, dass nach Abstellen des Verbrennungsmotors der fluidführende Bereich des Fördermoduls nicht mehr entleert werden muss, um Eisdruckschäden wirksam zu verhindern. Da das Fördermodul nicht mehr entleert werden muss, kann das Fördermodul vergleichsweise einfach aufgebaut sein. Insbesondere kann eine Pumpe verwendet werden, die nur in eine Richtung fördert, das heißt keinen Rücksaugbetrieb ermöglicht.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Filter mit einer Filterkammer, in der eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufgenommen ist,
- 2 a) einen Querschnitt und b) eine perspektivische Darstellung eines ersten Federelements für eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
- 3 a) einen Querschnitt und b) eine perspektivische Darstellung eines zweiten Federelements für eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
- 4 a) einen Querschnitt und b) eine perspektivische Darstellung eines dritten Federelements für eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
- 5 a) einen Querschnitt und b) eine perspektivische Darstellung eines vierten Federelements für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, und
- 6 ein Fördermodul mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der 1 ist ein Filter 13 zu entnehmen, der in ein Fördermodul 18 für ein Fluid integriert ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors handeln. Ein entsprechendes Fördermodul 18 ist beispielhaft in der 6 dargestellt.
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Der in der 1 dargestellte Filter 13 weist ein zwischen zwei Endscheiben 16, 17 angeordnetes Filtermaterial 15 auf, das einen Hohlzylinder bildet und somit eine zylinderförmige Filterkammer 14 definiert. Außenumfangseitig auf den Endscheiben 16, 17 sitzende Dichtringe 19 dichten den Filter 13 gegen ein Gehäuseteil 20 des Fördermoduls 18 ab. In der Filterkammer 14 ist zumindest abschnittsweise eine Vorrichtung aufgenommen, die der Kompensation einer Volumenänderung des Fluids bei einem Phasenübergang von flüssig nach fest dient. Die Vorrichtung umfasst hierzu ein Federelement 1 in Form eines Rohrs, das im Querschnitt zumindest einmal unterbrochen ist. Das heißt, dass das Rohr seitlich geöffnet ist und zwar über seine gesamte Länge, so dass sich das Rohr unter Einwirkung eines radial angreifenden Druckkraft elastisch verformen kann. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine zumindest bereichsweise elastisch verformbare oder flexible Hülle 2, die das Federelement 1 umgibt. Das Federelement 1 liegt dabei unter einer radialen Vorspannung an der Hülle 2 an, so dass eine von außen auf die Hülle 2 wirkende, radial angreifende Druckkraft durch die Hülle 2 hindurch auf das Federelement 1 wirkt und dieses verformt. In axialer Richtung ist die Hülle 2 über einen stirnseitig am Federelement 1 angeordneten plattenförmigen Stützkörper 12 abgestützt, so dass die Hülle 2 bei einer Verformung des Federelements 1 keinen Schaden nimmt. Andernends weist die Hülle 2 einen Kragen 21 auf, der eine Endscheibe 16 des Filters 13 umgreift.
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In den 2 bis 5 sind verschiedene Federelemente 1 dargestellt, die sich hinsichtlich ihrer Querschnittsform unterscheiden. Neben den dargestellten Querschnittsformen sind eine Vielzahl weiterer Querschnittsformen denkbar, die nicht allesamt dargestellt werden können.
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Das Federelement 1 der 2, wobei die 2a) ein Querschnitt und die 2b) eine perspektivische Darstellung des Federelements 1 ist, bildet ein metallisches Rohr aus, das im Querschnitt einmal unterbrochen ist. Das heißt, dass das Rohr seitlich offen ist. Die freien Enden 8, 9 sind nach innen gebogen, und zwar über konvex geformte Abschnitte 6 mit einem Radius R2, der kleiner als ein Radius R1 eines weiteren konvex geformten Abschnitts 5 ist, der die beiden Abschnitte 6 verbindet. Die beiden Enden 8, 9 sind zueinander beabstandet und definieren auf diese Weise einen Spalt 10, der sich über die gesamte Länge des Federelements 1 erstreckt.
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Das Federelement 1 der 3, wobei die 3a) ein Querschnitt und die 3b) eine perspektivische Darstellung des Federelements 1 ist, unterscheidet sich von dem der 2 durch einen im Querschnitt konkav geformten Abschnitt 3, der dem Spalt 10 gegenüberliegt.
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Das Federelement 1 der 4, wobei die 4a) ein Querschnitt und die 4b) eine perspektivische Darstellung des Federelements 1 ist, unterscheidet sich von dem der 3 dadurch, dass zwei weitere konkav geformte Abschnitte 4 vorgesehen sind, die einander diametral gegenüberliegen und jeweils zwischen dem Spalt 10 und dem konkav geformten Abschnitt 3 angeordnet sind. Der Übergang der zwei weiteren konkav geformten Abschnitte 4 in die Abschnitte 6 erfolgt jeweils über einen weiteren konvex geformten Abschnitt 7 mit einem Radius R3 sowie einen gerade verlaufenden Abschnitt 11.
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Das Federelement 1 der 5, wobei auch hier die 5a) ein Querschnitt und die 5b) eine perspektivische Darstellung des Federelements 1 ist, unterscheidet sich von den Federelementen 1 der 2 bis 4 dadurch, dass ein Rohr gebildet wird, das an zwei Stellen unterbrochen ist. Denn das Federelement 1 ist aus einem im Wesentlichen S-förmig gebogenen Metallblech hergestellt, das im Querschnitt einen mittig angeordneten, gerade verlaufenden Abschnitt 11 aufweist. Die freien Enden 8, 9 des Metallblechs liegen sich somit nicht an einem Spalt 10 gegenüber, sondern bilden jeweils einen Spalt 10' mit dem gerade verlaufenden Abschnitt 11 aus.
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In Abhängigkeit von der Querschnittsform des Federelements 1 kann die Federsteifigkeit bzw. die elastische Verformbarkeit des Federelements 1 eingestellt werden. Entsprechend ändert sich die Kompensationsleistung des Federelements 1 und damit die Kompensationsleistung der das Federelement 1 aufweisenden Vorrichtung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015220957 A1 [0005]
- DE 102012223009 A1 [0006]
- DE 102012223020 A1 [0006]
- DE 102011087856 A1 [0007]
