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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Fördervorrichtung für eine wässrige Harnstofflösung in einem Kraftfahrzeug, mit einem Tank, mit einem Filterelement und mit einer Pumpe, wobei die wässrige Harnstofflösung mittels der Pumpe aus dem Tank durch das Filterelement in eine Saugleitung förderbar ist, wobei das Filterelement ein Filtermaterial und einen Rahmen zur Aufnahme des Filtermaterials aufweist.
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Stand der Technik
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Weltweit sind in vielen Staaten gesetzliche Regelungen getroffen worden, die einen oberen Grenzwert für den Gehalt von bestimmten Substanzen im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen festlegen. Hierbei handelt es sich zumeist um Substanzen, deren Abgabe an die Umwelt unerwünscht ist. Eine dieser Substanzen stellt Stickoxid (NOx) dar, deren Anteil im Abgas gesetzlich festgelegte Grenzwerte nicht übersteigen darf. Auf Grund der Rahmenbedingungen, beispielsweise der Auslegung der Verbrennungskraftmaschinen im Hinblick auf günstige Verbrauche und ähnliches, ist die innermotorische Vermeidung der Stickoxidemission bei der Verminderung des Anteils der Stickoxide im Abgas nur begrenzt tauglich, so dass für die Einhaltung relativ niedriger Grenzwerte eine Abgasnachbehandlung erforderlich ist. Hierbei hat sich herausgestellt, dass eine selektive katalytische Reduktion (SCR, selective catalytic reduction) der Stickoxide vorteilhaft ist. Diese SCR-Methode benötigt ein Reduktionsmittel, welches stickstoffhaltig ist. Insbesondere hat sich der Einsatz von Ammoniak (NH3) als Reduktionsmittel als eine mögliche Alternative herausgestellt. Auf Grund der chemischen Eigenschaften und der gesetzlichen Bestimmungen in vielen Staaten wird üblicherweise der Ammoniak nicht als reines Ammoniak vorgehalten, da dies insbesondere bei Kraftfahrzeugen oder anderen mobilen Anwendungen zu Problemen führen kann. Vielmehr werden statt einer Bevorratung der Reduktionsmittel selbst oftmals Reduktionsmittelvorläufer gespeichert und mitgeführt. Unter einem Reduktionsmittelvorläufer wird insbesondere ein Stoff verstanden, welcher das Reduktionsmittel abspaltet oder chemisch in das Reduktionsmittel umgewandelt werden kann. Beispielsweise stellt für das Reduktionsmittel Ammoniak Harnstoff einen Reduktionsmittelvorläufer dar.
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Die wässrige Ammoniaklösung, der Harnstoff, wird in einem Tank mitgeführt und mittels einer geeigneten Fördervorrichtung in genau dosierten Mengen in den Abgastrakt gefördert. Die Fördervorrichtung weist hierzu regelmäßig unter anderem eine Pumpe zur Förderung des Fluids auf, einen oder mehrere Filter zur Reinigung des Fluids, gegebenenfalls Heizvorrichtungen zum Auftauen des Fluids und eine Steuervorrichtung zur Verarbeitung von internen und externen Daten und zur Ansteuerung der Pumpe, der Heizvorrichtungen und weiterer steuerbarer Komponenten, wie beispielsweise dem Injektor.
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Nachteilig an den Vorrichtungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass es bislang keine Vorrichtungen gibt, die sicherstellen, dass bei einem Tausch eines Filters ein Produkt von ausreichender Qualität und technischer Funktionalität verwendet wird und so die Funktionsfähigkeit der gesamten Vorrichtung sichergestellt wird.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Fördervorrichtung zu schaffen, welche Mittel aufweist, die den Austausch eines Filters gegen ein nicht geeignetes Ersatzmedium ausschließt oder zumindest erschwert.
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Die Aufgabe hinsichtlich der Fördervorrichtung wird durch eine Fördervorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Fördervorrichtung für eine wässrige Harnstofflösung in einem Kraftfahrzeug, mit einem Tank, mit einem Filterelement und mit einer Pumpe, wobei die wässrige Harnstofflösung mittels der Pumpe aus dem Tank durch das Filterelement in eine Saugleitung förderbar ist, wobei das Filterelement ein Filtermaterial und einen Rahmen zur Aufnahme des Filtermaterials aufweist, wobei das Filtermaterial mittels eines Verbindungselements mit dem Rahmen verbunden ist, wobei das Verbindungselement Teil der Fluidförderstrecke aus dem Tank über das Filterelement hin zur Pumpe ist.
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Über die Pumpe wird die wässrige Harnstofflösung, welche im Weiteren als Fluid bezeichnet wird, aus dem Tank hin zu einem Verbraucher, wie beispielsweise einem Injektor an der Abgasleitung gefördert. Das Fluid wird dabei aus dem Tank durch das Filtermaterial in eine Saugleitung zur Pumpe gefördert, von wo es hin zum Verbraucher weitergefördert wird. Spezielle Ventile zur Steuerung des Fluidflusses und Vorrichtungen zur Entgasung, insbesondere zum Abführen von in den Leitungen befindlicher Luft, können entlang der Leitungen vorgesehen werden.
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Das Filtermaterial kann beispielsweise durch ein netzartiges Material, ein poröses Material oder ein Element gebildet sein, welches eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist, welche das Durchströmen für das Fluid erlauben, jedoch für Festkörper ab einer bestimmten Größe verhindern. Filtermaterialien solche Art sind in vielfältiger Weise im Stand der Technik bekannt.
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Das Filtermaterial zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es derart gestaltet ist, dass das Fluid aus dem Tank nur über einen definierten Querschnitt aus dem Tank hinaus in die Saugleitung strömen kann. Das Filtermaterial kann beispielsweise mehrlagig als Tasche ausgebildet sein, so dass sich innerhalb des von der Tasche aufgespannten Volumens ein Bereich für bereits gefiltertes Fluid ergibt. Aus diesem Bereich kann das gefilterte Fluid nur entlang des definierten Querschnitts, der beispielsweise durch eine definierte Öffnung in der Tasche gebildet ist, in die Saugleitung hin zur Pumpe überströmen.
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In dem von dem Filtermaterial aufgespannten Raum kann vorzugsweise ein Stützkörper vorgesehen sein, welcher die Ausbildung des Raumes unterstützt und insbesondere ein Zusammenfallen des Filtermaterials verhindert.
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Die Saugleitung beschreibt insbesondere den Abschnitt der Fluidförderleitung, der dem Filter in der gewöhnlichen Strömungsrichtung (vom Tank zur Pumpe) nachgelagert ist und der Pumpe vorgelagert ist. Die Leitung befindet sich auf der Saugseite der Pumpe. Die Saugleitung kann sich insbesondere auch entlang einzelner Gehäuseabschnitte der Fördervorrichtung erstrecken. Besonders kann auch ein Teil des Gehäuses, welches auch den Rahmen für das Filtermaterial bildet oder diesen aufnimmt, als Teil der Saugleitung ausgebildet sein.
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Der Rahmen dient insbesondere zur Fixierung und/oder Formgebung des Filtermaterials. Abhängig von dem verwendeten Filtermaterial kann es sein, dass eine zusätzliche Stützstruktur, der Rahmen, benötigt wird, um das Filtermaterial aufzuspannen und so genügend Filterfläche zu erzeugen. Der Rahmen kann Fixierungspunkte aufweisen, mit welchen das Filtermaterial verbunden werden kann.
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Alternativ kann der Rahmen auch mehrere Stege und Rippen aufweisen, welche ein Gerüst bilden, das einen Raum aufspannt, innerhalb welchem das Filtermaterial bevorzugt angeordnet ist.
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Wie bereits erwähnt kann der Rahmen insbesondere Teil der Fluidförderstrecke sein, welcher der Pumpe vorgelagert ist, so dass der Rahmen beispielsweise eine Anschlussstelle aufweist, an welcher das Filtermaterial an diesen angebunden wird, so dass das gefilterte Fluid aus dem vom Filtermaterial aufgespannten Volumen durch diese Anschlussstelle in die Saugleitung strömen kann.
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Im einfachsten Fall ist der Rahmen Teil des Gehäuses der Vorrichtung und ist lediglich durch einen Anbindungspunkt beziehungsweise die Anschlussstelle für das Filtermaterial gebildet und bildet zusätzlich gegebenenfalls eine Abstützfläche aus, an welcher das Filtermaterial zumindest teilweise, insbesondere einseitig, abgestützt sein kann.
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Zur Verbindung des Filtermaterials mit dem Rahmen ist das Verbindungselement vorgesehen, welches dazu dient, eine fluiddichte und dauerhaltbare Verbindung zwischen dem Filtermaterial und dem Rahmen zu erzeugen. Das Filtermaterial und/oder die Anschlussstelle am Rahmen können hierfür Verbindungsstücke aufweisen, welche sich mit dem Verbindungselement auf einfache Weise verbinden lassen. Hierzu können insbesondere Nuten, Vorsprünge, Gewinde oder andere Profile vorgesehen werden.
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Das Verbindungselement kann ein zusätzliches Bauteil sein, welches mit dem Rahmen und dem Filtermaterial verbunden wird, oder einseitig fest installiert sein. In einer vorteilhaften Ausführung kann das Verbindungselement mit dem Filtermaterial fest verbunden sein, so dass nur eine zusätzliche Verbindung zwischen dem Verbindungselement und dem Rahmen erzeugt werden muss. Das Verbindungselement mit dem angebundenen Filtermaterial kann so beispielsweise in einen Aufnahmebereich am Rahmen eingedrückt oder eingeschraubt oder auf andere Weise verbunden werden.
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Alternativ kann das Verbindungelement auch fest mit dem Rahmen verbunden sein, so dass das Filtermaterial in das Verbindungselement eingedrückt oder eingeschraubt wird. Das Verbindungsprinzip bleibt dabei jedoch das gleiche.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verbindungselement das Filtermaterial gegenüber dem Rahmen örtlich fixiert. Wie bereits erwähnt ist der Rahmen bevorzugt ein Teil des Gehäuses der Vorrichtung.
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In einer bevorzugten Ausführung ist die Vorrichtung derart aufgebaut, dass sie ein topfförmiges Gehäuse aufweist, welche durch eine Öffnung in einer Tankwandung, bevorzugt der den Boden bildenden Wandung, in einen Tank eingesetzt wird und über einen umlaufenden Flansch mit dieser Wandung verbunden wird.
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Die Pumpe und gegebenenfalls andere Elemente, wie beispielsweise die Steuerungsvorrichtung, sind bevorzugt auf der dem Tank abgewandten Seite des topfförmigen Gehäuses angeordnet und somit nicht direkt in Kontakt mit dem Fluid.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn der Rahmen eine Fluidleitung aufweist, welche mit der Pumpe fluidisch in Kontakt steht, wobei die Fluidleitung am Rahmen eine Einlassöffnung aufweist, mit welcher das Filtermaterial mittels des Verbindungselementes verbunden ist. Die Einlassöffnung ist örtlich direkt benachbart zur Anschlussstelle des Filtermaterials an den Rahmen angeordnet.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung ist die Einlassöffnung Teil der Anschlussstelle, so dass sichergestellt ist, dass das Fluid aus dem vom Filtermaterial aufgespannten Raum nur direkt in diese Einlassöffnung und somit in die nachgelagerte Fluidleitung strömen kann. Die Fluidleitung kann beispielsweise durch einen kurzen Abschnitt, wie etwa die Bohrung in einer Wandung des Gehäuses gebildet sein, oder auch durch einen längeren in einer Wandung verlaufenden Kanalabschnitt, oder eine Rohrleitung. Je nach Bauform kann die Fluidleitung identisch mit der Saugleitung sein, welche der Pumpe strömungstechnisch vorgelagert und dem Filter nachgelagert ist.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement eine fluidisch dichte Verbindung zwischen dem Filtermaterial und der Fluidleitung erzeugt. Das Verbindungselement ist somit ein Dichtelement, welches die Verbindung zwischen dem Filtermaterial und der Anschlussstelle am Rahmen abdichtet. Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung gezielt derart ausgelegt, dass ein fehlendes Verbindungselement oder ein beschädigtes Filterelement zu einer Undichtigkeit führt, wodurch die Funktion der Vorrichtung nicht mehr gewährleistet ist.
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Insbesondere das Öffnen der Verbindung zwischen dem Filtermaterial und dem Rahmen führt zu einer Zerstörung des Verbindungselementes, so dass die Funktionalität nicht mehr gewährleistet ist und die Verbindung physisch instabil ist und/oder fluidisch undicht.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn das Verbindungselement eine zerstörungsfrei unlösbare Verbindung zwischen dem Rahmen und dem Filtermaterial erzeugt. Eine zerstörungsfrei unlösbare Verbindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Verbindung zwischen den zu verbindenden Elementen nur einmal während der regulären Montage herstellbar ist. Ein darauffolgendes Öffnen der Verbindung führt zu einer Zerstörung oder zumindest einer wesentlichen Beschädigung des Verbindungselementes.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die zerstörungsfrei unlösbare Verbindung durch einen Bajonettverschluss erzeugt ist. Dies ist vorteilhaft, um die Verbindung beispielsweise durch das Verdrehen der beiden zu verbindenden Komponenten relativ zueinander zu erzeugen, oder in einer besonders bevorzugten Ausführung lediglich das Verbindungselement relativ zum Filtermaterial und/oder zum Rahmen zu verdrehen. Ein Bajonettverschluss benötigt insbesondere keine hohen Verdrehwinkel der beteiligten Teile zueinander, so dass auch in beengten Platzverhältnissen eine haltbare Verbindung erzeugt werden kann.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die zerstörungsfrei unlösbare Verbindung durch Sperrklinken gebildet ist, die bei einer ausreichend hohen Kraftaufbringung entgegen der Verschlussrichtung brechen. Sperrklinken sind beispielweise durch vom Innenumfang einer Öffnung radial nach innen abragende Formkörper gebildet, die in Umfangsrichtung in einem Winkel angestellt sind. Dies kann bevorzugt an dem als Ring ausgebildeten Verbindungselement ausgebildet sein. Am Außenumfang des Gegenstücks, an welchem das Verbindungselement angebracht wird, ist beispielsweise eine Profilierung vorgesehen, die derart ausgebildet ist, dass die Sperrklinken in einer Drehrichtung über diese Profilierung hinweggleiten, wobei es jedoch zu einer Sperrung kommt, wenn die Sperrklinken in entgegengesetzter Richtung über die Profilierung geführt werden.
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Dieses Prinzip ist bekanntermaßen etwa in einem Freilauf einer Fahrradnabe umgesetzt. Die Profilierung am Außenumfang und die Sperrklinken können auf vielfältige Weise ausgestaltet sein. Der Kerngedanke ist, dass die beiden Elemente, insbesondere das Verbindungselement und das Filtermaterial und/oder der Rahmen, in einer Drehrichtung relativ zueinander verdrehbar sind und jeweils in der Gegenrichtung zueinander blockiert werden.
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Sollte auf die Verbindung eine Kraft aufgebracht werden, die so groß ist, dass diese ausreicht, um die Sperrklinken zu zerbrechen, so löst sich die Verbindung und eine feste und fluiddichte Verbindung kann nicht mehr hergestellt werden.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn die Verschlussrichtung der zerstörungsfrei unlösbaren Verbindung rotatorisch oder translatorisch ist. Abhängig davon wie das Verbindungselement an das Filtermaterial und/oder den Rahmen angebunden werden soll, kann es vorteilhaft sein, wenn die Verbindung über eine translatorische Bewegung oder eine rotatorische Verdrehung hergestellt wird. Eine Bajonettverbindung wird bevorzugt durch eine Verdrehung erzeugt, während beispielsweise eine Steckverbindung mittels einer geradlinigen translatorischen Bewegung erzeugt wird.
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Das Prinzip der Sperrklinken kann auch bei einer Steckverbindung, welche durch eine translatorische Bewegung erzeugt wird, genutzt werden. Hier können beispielsweise von Innenumfang abragende Sperrelemente durch das Aufdrücken über einen Wulst oder in eine Nut hinein fixiert werden, wodurch eine feste fluiddichte Verbindung durch einen Formschluss erzeugt wird. Das Aufbringen einer Kraft entgegen der Steckrichtung führt schließlich zu einem Zerstören der Sperrelemente durch Abscheren.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die zerstörungsfrei unlösbare Verbindung beim Verbinden des Filtermaterials mit dem Rahmen mittels des Verbindungselementes erzeugt wird und beim Lösen des Filtermaterials vom Rahmen zerstört wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da erfindungsgemäß die Verbindung einmalig bei der Montage erzeugt werden soll, und ein Demontieren und erneutes Montieren vermieden werden soll.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn das Verbindungselement als Ring ausgebildet ist, wobei die Verbindung des Verbindungselementes zum Filtermaterial und/oder zum Rahmen zerstörungsfrei unlösbar ausgebildet ist.
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Das Verbindungselement ist bevorzugt ein Ring, wobei die Anschlussstellen am Rahmen und/oder am Filtermaterial bevorzugt einen korrespondierenden Querschnitt aufweisen, so dass der Ring an diese angebracht werden kann. Das Verbindungselement als Ring kann in einer bevorzugten Ausführung an dem Filtermaterial oder dem Rahmen angeordnet und mit diesem dauerhaft oder lösbar, beispielsweise durch Verschrauben, verbunden sein. Die Verbindung mit dem jeweils anderen Element wird dann durch die zerstörungsfrei unlösbare Verbindung erzeugt. Auf diese Weise kann einerseits eine leichte Montierbarkeit gewährleistet werden und andererseits sichergestellt werden, dass zumindest mit einem der Elemente eine zerstörungsfrei unlösbare Verbindung erzeugt wird, so dass eine erneute Montage nach dem erstmaligen Lösen nicht möglich ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Verbindungselement einseitig ein Schraubgewinde aufweisen, mit welchem es beispielsweise an den Rahmen angeschraubt wird. Das Filtermaterial wird in diesem Fall beispielsweise mit einer Bajonettverbindung mit einer unzerstörbar unlösbaren Verbindung an das Verbindungselement angebunden. Hierzu kann das ringförmige Verbindungselement beispielsweise zwei relativ zueinander verdrehbare Abschnitte aufweisen, die nach dem Einstecken des Filtermaterials gegeneinander verdreht werden und dabei das Filtermaterial mit einer bereits zuvor beschriebenen Verbindung fixieren. Dies erlaubt die Montage in einem räumliche begrenzten Arbeitsumfeld und erlaubt weiterhin das einfache Austauschen des Verbindungselementes nach einer Zerstörung der Verbindung zum Filtermaterial.
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Bevorzugt kann in einer solchen Ausführungsform das Verbindungselement derart gestaltet sein, dass ein Lösen der Verschraubung mit dem Rahmen automatisch auch zu einer Zerstörung der Verbindung mit dem Filtermaterial führt. Dies kann dadurch erzeugt werden, dass die beiden relativ zueinander verdrehbaren Abschnitte des Rings so gestaltet sind, dass das Anziehen des Rings an der Anschlussstelle des Rahmens möglich ist, wohingegen ein lösen des Rings von der Anschlussstelle zu einer Zerstörung der Sperrklingen führt. Dies kann beispielsweise erreicht werden, in dem die beiden relativ zueinander verdrehbaren Abschnitte beim Lösen derart zueinander verdreht werden, dass die Sperrklinken zerstört werden und somit die sichere und fluiddichte Verbindung nicht mehr gewährleistet ist.
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Je nach Ausgestaltung kann die Schraubverbindung auch mit dem Filtermaterial erzeugt werden, und die zerstörungsfrei unlösbare Verbindung mit dem Rahmen.
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Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele sind beispielhaft und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens. Die Ausführungsbeispiele haben keine einschränkende Wirkung.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.