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Radialfolienlager sind zur aerodynamischen Lagerung von Wellen vorgesehen, wobei zwischen der Welle und dem Radialfolienlager ein tragendes Gas-/Luftpolster ausgebildet wird. Die Funktionsweise ähnelt der eines hydrodynamischen Gleitlagers jedoch mit dem Unterschied, dass die Welle von dem Radialfolienlager über ein Luftpolster getragen wird und nicht von einem Flüssigkeitspolster eines hydrodynamischen Gleitlagers. Gemeinsam haben beide Funktionsformen, dass erst die Drehbewegung der Welle zum Ausbilden des tragenden Polsters führt.
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Folienlager unterscheiden sich von den konventionellen aerodynamischen Lagern durch eine nachgiebige, elastische Struktur zwischen der rotierenden Welle und dem stationären Gehäusebauteil. Durch dieses Merkmal weisen sie gegenüber den konventionellen Luftlagern zwar eine geringere Steifigkeit auf, können sind jedoch an geometrische Luftspaltänderungen durch z.B. Fluchtungsfehler der Lagersitze oder unterschiedlicher Wärmeausdehnung von Welle und Gehäuse anpassen und ermöglichen dadurch in der Praxis in vielen Anwendungen eine höhere Betriebszuverlässigkeit.
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Zur Ausbildung des tragenden Luftpolsters weist das Radialfolienlager zumeist eine mit der stillstehenden Welle in Kontakt stehenden Deckfolie sowie eine radial zwischen der Deckfolie und den Außenring des Lagers angeordneten Wellfolie auf, welche in radialer Richtung elastisch einfedern kann. Somit hat grundsätzlich das Radialfolienlager zwei miteinander in Kontakt stehende Folien und einen die Folien tragenden Außenring, damit das Radialfolienlager in einem Gehäuse aufgenommen werden kann. Der Außenring kann auch einteilig von dem Gehäuse ausgebildet sein, in das die Folien des Radialfolienlagers eingesetzt werden.
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Wird die Welle in Drehbewegung relativ zum Radialfolienlager versetzt, so wird die in dem vom Stillstand definierten Luftspalt vorhandene Luft verdrängt. Ab einer bestimmten Drehzahl der Welle bildet sich ein Luftpolster zwischen der Deckfolie und der Welle aus, auf dem die Welle gleiten kann. Dabei sorgt das Folienpaket mit seiner Wellfolie und ihrer radialen Federwirkung dafür, dass Schwankungen im Luftdruck oder Vibrationen der Welle in radialer Richtung das Lager nicht beeinträchtigen und somit das Luftpolster tragfähig halten.
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Im Stand der Technik sind vielfältige Bauformen von Folienlagern bekannt. Neben den Radialfolienlagern gibt es auch Axialfolienlager, die eine axiale Tragfähigkeit ausbilden können. Die Anordnung der Folien des Lagers sowie deren geometrische Ausbildung sind vielfältig und jedem Anwendungsfall angepasst.
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Die
EP 2 942 537 A1 zeigt ein Radialfolienlager mit drei Wellfolien und einer nahezu umlaufendenden Deckfolie, wobei die Wellfolien mit einem hakenförmigen Ende jeweils in einen eigenen Schlitz im Außenring eingehakt sind und die Deckfolie mit beiden Enden aneinander anliegend in einen der Schlitze gesteckt ist.
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Die
EP 3 387 275 A1 zeigt ein Radialfolienlager mit drei Paketen aus Deckfolie und Wellfolie, wobei jedes Paket an jedem Ende der Folien in einen Schlitz des Außenringes gesteckt sind.
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Die
CN 209 990 776 U zeigt ein Radialfolienlager, bei dem sowohl die Wellfolie als auch die Deckfolie nahezu vollständig umlaufend ausgebildet sind, jeweils in abgewinkeltes Ende aufweisen, mit dem beide Folien in einen gemeinsamen Schlitz gesteckt sind. Anschließend wird diese Verbindung mit einer Schraube verklemmend gesichert.
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Als problematisch stellte sich heraus, die Folien zur Optimierung der funktionstüchtigen Tragfähigkeit wirtschaftlich anzuordnen.
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Es ist somit die Aufgabe der Erfindung ein Radialfolienlager auszubilden, welches eine wirtschaftliche Anordnung der Folien erlaubt und das Radialfolienlager in seiner Funktion verbessert.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich durch ein Radialfolienlager mit einem Außenring, mindestens einer Wellfolie und mindestens einer Deckfolie aus, wobei die Wellfolie radial zwischen dem Außenring und der Deckfolie angeordnet ist, und drei Folienpakete aus einer Wellfolie und einer Deckfolie gebildet sind, die entlang der und an der Innenumfangsfläche des Außenringes aufeinanderfolgend angeordnet sind und das Radialfolienlager in nur einer einzigen Drehrichtung betreibbar ist, wobei ein erstes Ende jeder Deckfolie mit dem Außenring fest verbunden und das zweite, dem ersten Ende gegenüberliegenden Ende der jeden Deckfolie frei beweglich ist, wobei die zu tragende Welle innerhalb eines definierten Winkelbereichs des frei beweglichen, zweiten Endes der Deckfolie mit eben dieser in Kontakt kommen kann.
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Die feste Verbindung des ersten Endes mit dem Außenring ist dergestalt, dass dieses erste Ende unbeweglich mit dem Außenring verbunden ist. Dies ist beispielsweise durch Widerstands-/Punktschweißen oder Laserschweißen erzielbar.
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Die Folien des Radialfolienlagers sind als dünne, federnde Blechstreifen ausgebildet und haben in Umfangsrichtung des Radialfolienlagers eine größere geometrische Ausprägung als in axialer Richtung des Radialfolienlagers.
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Durch die Erfindung werden Instabilitäten einer zu lagernden Welle bei bereits niedrigen Drehzahlen minimiert. Zudem wird die Abrisskante des Luftstroms aus dem Tragbereich mit dem höchsten Druckaufbau verlagert. Damit kann das Radialfolienlager mit geringeren Abhebedrehzahlen betrieben werden.
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Durch eine optimierte, erfindungsgemäße Gestaltung des Radialfolienlagers wird das dynamische Schwingungsverhalten zu einem mit der zu tragenden Welle verbundenen Rotors eines Verdichters optimiert und ein ruhigerer Lauf des Verdichters erreicht. Diese rotordynamischen Instabilitäten werden hierbei durch die Optimierung des Radialfolienlagers und des definierten Winkelkontaktbereichs minimiert.
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Das erfindungsgemäße Radialfolienlager kann mit seinem Außenring in eine Aufnahme eines Verdichters eingesetzt werden, wobei der Verdichter zur Zuführung von Gasen zu einer vorzugsweise automotiven, das heißt in einem mobilen Fahrzeug angebrachten, Brennstoffzelle vorgesehen ist. Alternativ kann ein solcher Verdichter mit dem erfindungsgemäßen Radialfolienlager in einer stationären Brennstoffzelle vorgesehen sein.
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Das Radialfolienlager weist an der Innenseite einen bauteilfreien Hüllkreis auf, welcher beim Fügen mit einer zu tragenden Welle von der Welle als maximal zulässiger Bauraum dient.
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Eine Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der Kontakt zwischen der zu tragenden Welle beziehungsweise dem Hüllkreis und dem zweiten Ende der Deckfolie linienförmig ist und sich in axialer Richtun gerstreckt. Die Position der Kontaktlinie befindet sich innerhalb eines Drittels der Umfangslänge der Deckfolie von seinem freien Ende entfernt, wobei die Kontaktlinie mit einer Toleranz von +/- 15% der umfangsseitigen Gesamterstreckungslänge der Deckfolie versehen ist. Bei entsprechend lagerichtigen Lagereinbau entspricht dieser Kontakt bei nicht rotierender Welle auch dem Kontakt zwischen Welle und Deckfolie. In Umfangsrichtung beidseitig dieses Kontaktes bildet sich ein sichelförmiger Spalt aus. Bei Erhöhung der Drehzahl der zu tragenden Welle baut sich in dem an die Folienbefestigung anschließenden sichelförmigen Spalt das tragfähige Luftpolster auf. Durch den eingeprägten Druck und durch die Nachgiebigkeit der Folien wandelt sich der Kontakt zu einem Spalt mit flächiger Ausdehnung und nahezu konstanter radialer Spalthöhe aus, der sich um den vorgenannten Winkelbereich heraum in beiden Umfangsrichtungen ausdehnt und das tragfähige Gas-/Luftpolster ausbildet.
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In einer erfindungsgemäßen Ausführung überlappt sich die Deckfolie des einen Folienpakets mit der Deckfolie des in Umfangsrichtung darauffolgenden Folienpakets mit radialem Abstand. Diese Überlappung mit radialem Abstand folgt aus einer radialen Verschränkung zweier aufeinanderfolgender Folien, und zwar so, dass eine erste Deckfolie mit einer Befestigungslasche an seinem ersten Ende mit dem Außenring befestigt ist, wobei die Befestigungslasche auf einem größeren Teilkreis angeordnet ist als die Tragfläche der zweiten, auf die erste in Umfangsrichtung unmittelbar folgenden, Deckfolie auf der der erfindungsgemäße Winkelbereich angeordnet ist. Damit wird die umfangsseitige Tragfähigkeit aller aufeinanderfolgender Winkelbereiche insofern verbessert, dass das Radialfolienlager im Durchmesser kompakter gestaltet werden kann.
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Damit wird vorteilhafterweise die umfangsseitige Tragfläche vergrößert und dafür auch der Bauraum in Umfangsrichtung zwischen den einzelnen Folienpaketen deutlich besser genutzt. Das freie (zweite) Ende der Deckfolie eines Folienpaketes kann das feste (erste) Ende der Deckfolie des umfangsseitig drauffolgenden Folienpaketes überlappen - mit radialem Abstand und ohne gegenseitige Kontaktierung oder alternativ mit flächigem Kontakt.
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Dabei ist der umfangsseitige Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Deckfolien derart dimensioniert, dass sich diese einander im Betrieb nicht berühren - insbesondere bei Erschütterungen des Radialfolienlagers oder der Welle. Die umfangsseitige Beabstandung ist jedoch auch dergestalt, dass ein Abreißen des Luftpolsters vermieden wird - beispielsweise bemisst sich der Abstand anhand der an dem Ende der Folie auftretenden Turbulenzen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Radialfolienlagers ist die Summe der einzelnen Deckfolien-Bogenlängen größer ist, als der Innenumfang des Außenrings und sich somit die Deckfolie des einen Folienpakets mit der Deckfolie des in Umfangsrichtung darauffolgenden Folienpakets berührend überlappt. Damit wird auch die umfangsseitige Tragfähigkeit aller aufeinanderfolgender Winkelbereiche insofern verbessert, dass das Radialfolienlager im Durchmesser kompakter gestaltet werden kann. Insbesondere wird hierbei die zweite Deckfolie, welche die erste Deckfolie durch die Überlappung zum Mittelpunkt des Radialfolienlagers abdeckt, von der ersten Deckfolie gestützt.
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Vorteilhafterweise liegen der Radiusmittelpunkt der Deckfolie, der Kontakt zwischen der zu tragenden Welle beziehungsweise dem Hüllkreis zur Deckfolie und der Lagermittelpunkt des Radialfolienlagers auf einer gedachten Geraden. Im Betrieb wird der linienförmige Kontakt wie eingangs beschrieben zur Tragfläche zwischen Deckfolie und zu tragender Welle.
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Ferner kann der Radiusmittelpunkt der Deckfolie entlang dieser Geraden um 0,5% bis 7% von Wellenradius exzentrisch zum Lagermittelpunkt des Radialfolienlagers liegen. Damit ist der Deckfolienradius entsprechend größer als der Hüllkreisradius. Durch die eingangs beschriebene geometrische Auslegung bildet sich zwischen dem Folienbefestigungspunkt und der Kontaktlinie zwischen Hüllkreis und Deckfolie ein sichelförmiger Spalt zwischen Welle und Deckfolien aus. Die sich ergebende Sichelform stellt eine optimierte Form eines Keilspaltes dar, durch welche sich der zum Abheben der Welle von der Deckfolie erforderliche Luftdruck bereits bei niedrigeren Drehzahlen ausbildet und bereits eine geringe radiale Einfederung der Wellfolie im Kontaktbereich ausreicht um eine großflächige und damit tragfähige Tragfläche auszubilden. Durch die beschriebene Geometrie kann die sog. Leerlaufdrehzahl von Brennstoffzellen-Verdichtern gesenkt und damit eine Verbrauchsreduzierung erreicht werden.
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Der „Außenring“ im Rahmen der Erfindung kann als separates Bauteil - als „Außenbauteil“ - in ein Gehäuse eingesetzt werden oder einteilig mit dem Gehäuse ausgebildet sein, so der mit dem Gehäuse integral ausgebildete Außenring als Gehäusebohrung vorhanden ist. Im Rahmen der Erfindung wird die mehrteilige Ausführung („Außenbauteil“) und die einteilige Ausführung („Gehäusebohrung“) unter dem Begriff „Außenring“ zusammengeführt. Wesentlich für die Erfindung des Radialfolienlagers ist hierbei, dass die zu tragende Welle beziehungsweise der Hüllkreis in einem definierten Winkelbereich das Folienpaket beziehungsweise die Deckfolie kontaktiert.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Qualität der Tragfähigkeit selbst als auch die Abstützung der zu tragenden Welle verbessert. Dies umfasst die möglichst zentrische Positionierung der Welle im statischen Zustand, eine möglichst geringe Abhebedrehzahl, eine möglichst hohe Tragfähigkeit im Betrieb und eine möglichst gute dynamische Rotorstabilität über den gesamten Drehzahlbereich des Verdichters hinweg. Sind mehrere dieser Folienpakete über den Innenumfang der Innenumfangsfläche des Außenrings positioniert, so wird ab drei Folienpaketen zum einen die zentrische Lage der Welle im statischen Zustand optimiert, als auch die dynamische Rotorstabilität dadurch verbessert, dass sich die Welle an mehreren Umfangsstellen abstützen kann und sich somit deren Bewegungsspielraum verringert.
Das Radialfolienlager mit vorteilhafterweise drei Folienpaketen, welche in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind, kann sich nur in einer Drehrichtung bewegen - und ist somit unidirektional ausgebildet. Eine Drehrichtungsumkehr ist, insbesondere im Betrieb, nicht möglich und nicht vorgesehen. Das erfindungsgemäße Radialfolienlager ermöglicht durch seinen Aufbau nur eine Wellendrehrichtung. Auch ist damit ein gerichteter Einbau des Radialfolienlagers nötig, damit die Drehrichtung der zu tragenden Welle der Betriebsdrehrichtung des Radialfolienlagers entspricht.
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Vorteilhafterweise ist das Radialfolienlager mit einer Markierung versehen, welche die zulässige Drehrichtung anzeigt, in der das Radialfolienlager zu betreiben und auch mit dieser Information in einer Aufnahme einzubauen ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Markierung die Lage/Position des erfindungsgemäßen Winkelbereichs anzeigen, damit das Radialfolienlager in einer umfangsseitigen Position in der Aufnahme eingesetzt werden kann, so dass die zu tragende Welle im Stillstand durch ihre Gewichtskraft den Kontakt in einem der erfindungsgemäßen Winkelbereiche des Radialfolienlagers findet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in den nachfolgenden Figuren näher beschrieben.
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Die 1 zeigt ein Radialfolienlager 1 mit einem Außenring 2, einer Wellfolie 3 und einer Deckfolie 4, wobei eine Wellfolie 3 und eine Deckfolie 4 ein Folienpaket 8 bilden. Drei Folienpakete 8 sind über den Umfang des Außenringes 2 aufeinanderfolgend gemustert und im regelmäßigen Abstand zueinander angeordnet. Dabei liegt an einer Innenumfangsfläche 5 des Außenringes 2 die Wellfolie 3 an, welche in Umfangsrichtung des Radialfolienlagers 1 gesehen eine Wellenform aufweist. Auf der dem Außenring 2 gegenüberliegenden Seite der Wellfolie 3 liegt die Deckfolie 4 an der Wellfolie 3 an. Die Wellenform der Wellfolie 3 lässt die Deckfolie 4 zum Außenring 2 hin einfedern, das heißt die radiale Ausdehnung der Wellfolie 3 verringert sich durch das Einfedern. Durch dieses Einfedern verlängert sich die Dimension der Wellfolie 3 in Umfangsrichtung.
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Jedes Folienpaket 8 ist mit seiner Deckfolie 4 und seiner Wellfolie 3 an einem gemeinsamen ersten Ende 6 mit dem Außenring 2 fest verbunden. Das andere, zweite Ende 7 des Folienpaketes 8 und damit auch seiner Folien 3, 4 ist in Umfangsrichtung und in radialer Richtung beweglich. Das zweite Ende 7 befindet sich jedoch in Anlage mit der Innenumfangsfläche 5 des Außenringes 2 - die Deckfolie 4 mittelbar über die Wellfolie 3 und die Wellfolie 3 selbst unmittelbar an dem Außenring 2.
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Die Drehrichtung 11 der zu tragenden Welle 9 ist im Uhrzeigersinn abgebildet, das heißt, ein gedachter Fixpunkt auf dem Außenumfang der Welle 9 passiert erst das feste erste Ende 6 eines Folienpaketes 8 und bei fortschreitender Drehung anschließend das zugehörige freie Ende 7 dieses Folienpaketes 8. Es sind drei Folienpakete 8 im umfangsseitigen Versatz von nahezu 120° innerhalb des Außenringes 2 angeordnet.
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In der in 1 gezeigten Darstellung „schwebt“ die Welle 9 im Radialfolienlager 1 aufgrund der schematischen Abbildung der Anordnung. Tatsächlich ist im Stillstand der Welle 9 die Welle 9 in Kontakt 13 mit einem der Folienpakete 8, insbesondere mit der zugehörigen Deckfolie 4, aufgrund seiner Gewichtskraft. Dieser Kontakt 13 ist vorteilhafterweise entgegen der Darstellungen in den 1 und 2 auf einer „sechs-Uhr-Position“ und innerhalb des erfindungsgemäßen Winkelbereichs 10 anzuordnen. Wird die Welle 9 gedreht und der Zustand vom Stillstand in den Betrieb gewechselt, dann bildet sich der in 2 gezeigte Keilspalt 12 aus, führt zum bevorzugten Gasdruckaufbau zwischen der Welle 9 und der Deckfolie 4 und lässt die Welle 9 von der Deckfolie 4 in radialer Richtung im Bereich des linienförmigen Kontaktes 13 abheben. Durch die nachgiebige Deckfolie 4 und Wellfolie 3 bildet sich ein flächiger und tragfähiges Gas-/Luftpolster aus.
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Der erfindungsgemäße Kontakt 13 liegt innerhalb des Winkelbereichs 10. Die Mitte des Winkelbereichs 10 liegt vom freien Ende 7 der begrenzenden Kante der Deckfolie 4 entgegen der Drehrichtung 11 im Bogenmaß um ein Drittel des Deckfolienumfangs entfernt. Die Grenzen des Winkelbereichs 10 liegen von dieser Mitte nach beiden Seiten im Bogenmaß jeweils um 15% des Deckfolienumfangs entfernt.
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Zudem ist nach 2 dargestellt, dass der Kontakt 13, der Mittelpunkt des Radialfolienlagers 1 und der Radiusmittelpunkt der Deckfolie 4, mit der der Kontakt 13 zur Welle 9 beziehungsweise zum Hüllkreis stattfindet, auf einer gemeinsamen Gerade 14 liegen. Damit kann vorteilhafterweise der sichelförmige Spalt 12 über eine Erstreckung von 2/3 der gesamten umfangsseitigen Länge der Deckfolie 4 ausgebildet werden.
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Der linienförmige Kontakt 13 weist einen Bogenmaßbetrag 16 von dem freien Ende 7 auf, welcher ein Drittel der umfangsseitigen Länge der Deckfolie 4 beträgt. Um diesen Kontakt 13 herum ist der Winkelbereich 10 ausgebildet, welcher als zulässiger Bereich für den linienförmigen Kontakt 13 vorgesehen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Radialfolienlager
- 2
- Außenring
- 3
- Wellfolie
- 4
- Deckfolie
- 5
- Innenumfangsfläche
- 6
- erstes Ende (fest)
- 7
- zweites Ende (frei)
- 8
- Folienpaket
- 9
- Welle
- 10
- Winkelbereich
- 11
- Drehrichtung
- 12
- sichelförmiger Spalt
- 13
- Kontakt Welle/Deckfolie
- 14
- Gerade
- 15
- Hüllkreis
- 16
- Bogenmaßbetrag / Abstand vom freien Ende
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2942537 A1 [0006]
- EP 3387275 A1 [0007]
- CN 209990776 U [0008]
