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Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung zur Erwärmung von Wasser, einen Durchlauferhitzer, einen Speichererhitzer und eine Verwendung eines geregelten Gleichrichters.
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Einrichtungen zur Erwärmung von Wasser zur Warmwasserversorgung, wie beispielsweise Durchlauferhitzer oder auch Speichererhitzer weisen in der Regel eine Heizeinrichtung umfassend Heizwendel oder Heizstäbe auf, die elektrischen Strom in Wärmeenergie umwandeln und an das zu erhitzende Wasser abgeben. Insbesondere bei Durchlauferhitzern kann dabei eine hohe Leistung von häufig mehr als 15 kW [Kilowatt] umgesetzt werden.
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Hierzu kann eine Heizwendel zum Einsatz kommen, die mit Wechselstrom [AC] betrieben wird. Um eine Steuerung der Leistung der Heizwendel zu ermöglichen, kommen bei bekannten Geräten Phasenanschnittsteuerung oder auch Pulsweitenmodulation/ Pulswellenmodulation zum Einsatz. Dies hat jedoch nachteilige Auswirkungen auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der Geräte, da Flicker und harmonische Oberwellen auftreten können, und erfordert häufig den kostenintensiven Einsatz spezieller EMV-Filter. Zudem kann eine unsymmetrische Belastung eines dreiphasigen Stromnetzes auftreten. Nicht zuletzt ist bei diesen Systemen eine Detektion eines defekten Heizwendels nur sehr aufwendig möglich und für eine Temperaturregelung ist eine zusätzliche Sensorik notwendig, wie einem Temperatursensor.
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In der
US 5,479,558 A wird ein Durchlauferhitzer vorgestellt, bei dem die Heizwendel durch Triacs geschaltet und die geschilderten Probleme zumindest teilweise gelöst werden können.
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Eine andere Lösung wird in der
DE 197 45 317 A1 vorgeschlagen. Der dortige Durchlauferhitzer hat eine Heizstufe mit induktivem Anteil, die über einen Wechselrichter betrieben wird.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Heizeinrichtung vorzuschlagen, der die geschilderten Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise überwindet. Insbesondere soll die Heizeinrichtung eine sehr gute elektromagnetische Verträglichkeit aufweisen und/oder eine unsymmetrische Netzbelastungen weitestgehend vermeiden.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Hierzu trägt eine elektrische Heizeinrichtung für einen Durchlauferhitzer oder einen Speichererhitzer bei, umfassend mindestens ein (elektrisch) widerstandsbasiertes Heizelement, wobei das mindestens eine Heizelement dazu eingerichtet ist, mit einer geregelten Gleichspannung betrieben zu werden.
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Das widerstandsbasierte Heizelement kann insbesondere eine Heizwendel oder ein Heizstab oder eine Mehrzahl derselben sein, dazu eingerichtet elektrischen Strom in Wärmeenergie umzuwandeln, um diese an zu erwärmendes Wasser abzugeben. Das zu erwärmende Wasser kann als Strömung, beispielsweise bei Anwendung in einem Durchlauferhitzer, oder Standvolumen, wie in einem Speicherbehälter, vorliegen. Das Heizelement kann in der Regel in direkten Kontakt mit dem zu erwärmenden Wasser gebracht werden, womit kurze Reaktionszeiten der Heizeinrichtung realisierbar sind. Hierfür sind z.B. Heizdrähte bekannt.
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Das widerstandsbasierte Heizelement ist ein elektrisch leitfähiges Material, beispielsweise in Form eines Drahtes. Materialien für Heizelemente sind aus dem Stand der Technik in Vielzahl bekannt, beispielsweise finden Metalllegierungen wie Nickel-Kupferlegierungen, Chromstähle oder Nickel-Chromlegierungen häufig Anwendung. Ein Heizelement kann sich im Rahmen dieser Ausführungen auf ein einzelnes Heizelement oder eine Vielzahl von redundanten Heizelementen beziehen.
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Die hier vorgeschlagene elektrische Heizeinrichtung kann dazu eingerichtet sein, mit einer dreiphasigen Wechselstromquelle zur Energieversorgung verbunden zu sein. Die dreiphasige Wechselstromquelle kann beispielsweise ein dreiphasiger Anschluss eines Haushalts, häufig auch als Drehstromanschluss bezeichnet, sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die elektrische Heizeinrichtung einen gesteuerten Gleichrichter, eine Regeleinheit und eine Mess-/Schalteinheit umfassen, wobei eine Regelgröße der Regeleinheit eine geforderte Leistung von mindestens einen Heizelement ist.
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Gesteuerte Gleichrichter können eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umformen, in der vorgeschlagenen Heizeinrichtung kann eine (dreiphasige) Wechselspannung des Stromnetzes in eine Gleichspannung zum Betreiben des mindestens einen Heizelementes umgewandelt werden. Ein gesteuerter Gleichrichter kann mittels einer Steuerspannung gesteuert werden. Vorteilhaft kann die Steuerspannung des gesteuerten Gleichrichters eine Stellgröße der Regeleinheit sein, hier auch als Gleichspannungsvorgabe bezeichnet. Durch den proportionalen Zusammenhang zwischen Leistung und dem Quadrat der Spannung folgend aus dem Ohm'schen Gesetz kann somit eine Leistungssteuerung der Heizeinrichtung durch die Steuerspannung des gesteuerten Gleichrichters erfolgen.
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Die Regeleinheit kann ein aus dem Stand der Technik bekannter Regler sein, insbesondere ein Regler mit P-I-D Charakteristik Eine Führungsgröße des Reglers kann ein Parameter sein, der eine Temperaturvorgabe des zu erwärmenden Wassers charakterisieren kann, beispielsweise eine elektrische (Ziel-)Heizleistung, die zur Erwärmung des Wassers (auf eine definierte (vorgegebene) Temperatur) benötigt wird.
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Hierzu kann eine Stellgröße der Regeleinheit die Steuerspannung des gesteuerten Gleichrichters sein. Wie oben beschrieben kann durch die Steuerspannung die vom Gleichrichter umzuformende Wechselspannung und damit die Leistung der Heizeinrichtung geregelt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eine weitere Stellgröße an die Mess-Schalteinheit übertragen werden, und ein Zuschalten mindestens eines weiteren Heizelementes erfolgen. Hiermit kann ein erhöhter Leistungsbedarf abgedeckt werden, der von den aktuell bzw. bislang zugeschalteten Heizelementen nicht erbracht werden kann. Zudem kann über die weitere, an die Mess-/ Schalteinheit zu übertragende Stellgröße von der Mess-/Schalteinheit der Widerstand aller Heizelemente ermittelt werden und so eine Information bezüglich der Temperatur gewonnen werden und/ oder ein anhand der Widerstandsermittlung auch ein Fehlerstatus mindestens eines Heizelementes ermittelt werden..
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Eine Temperatur des erwärmten Wassers kann hierzu beispielsweise durch einen Temperatursensor am Ausgang eines Durchlauferhitzers erfasst werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann auch eine Temperatur des mindestens einen Heizelementes erfasst werden. Hierzu können der bekannte Temperaturkoeffizient sowie der spezifische elektrische Widerstand (und die Abmessungen des Heizelementes) mit einbezogen werden um anhand gemessener elektrischer Spannung und/ oder dem das Heizelement durchfließenden elektrischen Strom eine Temperatur des Heizelementes zu bestimmen.
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Die Mess-/Schalteinheit kann dazu eingerichtet sein, zur Ermittlung des Istwertes für die Regelung den das mindestens eine Heizelement durchfließenden elektrischen Strom und/ oder die am Heizelement anliegende elektrische (Gleich-)Spannung zu messen und damit die von den Heizelementen umgesetzte elektrische Leistung als Istwert zu bestimmen und an der Regeleinheit zur Verfügung zu stellen.
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Die Mess-/Schalteinheit kann (auch) dazu eingerichtet sein, bei einem Heizelement aufweisend eine Vielzahl von Widerstandsheizdrähten, diese je nach Leistungsbedarf zu schalten. Mit anderen Worten kann die Mess-/Schalteinheit bei geringem Leistungsbedarf (beispielsweise durch einen geringen Massestrom Wasser in einem Durchlauferhitzer) nur einen Teil der Widerstandsheizdrähte des Heizelementes mit elektrischer Energie versorgen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Heizeinrichtung dazu eingerichtet sein, ein defektes Heizelement, bzw. einen defekten Widerstandsheizdraht des Heizelementes, zu detektieren. Hierzu kann der durch die Heizelemente fließende elektrische Strom herangezogen werden. Vorteilhaft kann eine Information bezüglich des detektierten defekten Heizelementes angezeigt oder zum Abruf über eine Schnittstelle bereitgestellt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Heizeinrichtung dazu eingerichtet sein, eine Zustandsbewertung der Heizelemente hinsichtlich Alterung und Leistungsverlust durchzuführen. Hierzu kann, wie oben beschrieben, der Temperaturkoeffizient und der spezifische elektrische Widerstand einbezogen werden. Im Rahmen der Zustandsbewertung kann beispielsweise auch eine zeitliche Veränderung von Zustandsgrößen der Heizelemente (einzelnen Widerstandsheizdrähte) betrachtet werden, ein zunehmender Leistungsverlust und dessen zeitliche Änderung kann eine Ausfallsprognose ermöglichen. Hierzu kann die Schalt-/Messeinheit dazu eingerichtet sein, die Betriebsparamater des Heizelementes, bzw. der einzelnen Widerstandsheizdrähte, zu überwachen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Mess-/Schalteinheit im Rahmen der Überwachung der Betriebsparameter des Heizelementes, bzw. der einzelnen Widerstandsheizdrähte auch nicht bestimmungsgemäße Betriebszustände erkennen. Dies können beispielsweise Lufteinschlüsse (Blasen) in einem zu erwärmenden Massestrom Wasser eines Durchlauferhitzers sein. Nachteilig können diese zu einer (lokalen) Überhitzung eines Heizelementes (Widerstandsheizdrahtes) und damit zu einem Ausfall desselben führen.
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Nach einem weiteren Aspekt wird ein Durchlauferhitzer vorgeschlagen, aufweisend eine hier vorgeschlagene Heizeinrichtung.
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Nach einem weiteren Aspekt wird ein Speichererhitzer vorgeschlagen, aufweisend eine hier vorgeschlagene Heizeinrichtung.
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Nach einem weiteren Aspekt wird eine Verwendung eines geregelten Gleichrichters zum Betreiben einer elektrischen Heizeinrichtung eines Durchlauferhitzers oder eines Speichererhitzers, vorgeschlagen.
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Die im Zusammenhang mit der Heizeinrichtung erörterten Details, Merkmale und Ausgestaltungen können entsprechend auch bei einem hier vorgeschlagenen Durchlauferhitzer, Speichererhitzer und/ oder der Verwendung auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
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Hier werden somit eine Heizeinrichtung, ein Durchlauferhitzer, ein Speichererhitzer und eine Verwendung angegeben, welche die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere ermöglicht die Heizeinrichtung, der Durchlauferhitzer, der Speichererhitzer sowie die Verwendung durch die Einbeziehung eines gesteuerten bzw. geregelten Gleichrichters, Netzbelastungen wie Flicker oder eine unsymmetrische Phasenbelastung vollständig auszuschließen.
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Zudem kann ein hervorragendes EMV-Verhalten einer hier vorgeschlagenen Heizeinrichtung eine kompaktere Bauform von Durchlauferhitzern und Speichererhitzern ermöglichen, da auf zusätzliche Einrichtungen für elektromagnetische Verträglichkeit verzichtet werden kann.
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Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: ein Blockdiagramm einer hier vorgestellten Heizeinrichtung, und
- 2: einen hier vorgeschlagenen Durchlauferhitzer.
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1 zeigt beispielhaft und schematisch ein Blockdiagramm einer hier vorgestellten Heizeinrichtung 1. Diese kann einen gesteuerten Gleichrichter 6 umfassen, der mit einem dreiphasigen Netzanschluss verbunden sein kann. Der Gleichrichter 6 kann die dreiphasige Wechselspannung des Netzanschlusses 14 in eine Gleichspannung umwandeln, welche an einer Schalt-/Messeinheit 4 angelegt werden kann. Die Höhe der vom Gleichrichter 6 zur Verfügung gestellten Gleichspannung kann von einer Steuerspannung als erste Stellgröße 8 einer Regeleinheit 3 bestimmt werden.
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Die Schalt-/Messeinheit 4 kann zwischen dem Gleichrichter 6 und einem Heizelement 5 angeordnet sein. Das Heizelement 5 kann eine Vielzahl von Widerstandsheizdrähten umfassen, die einzeln mit der Schalt-/Messeinheit 4 verbunden sein können. Die Schalt-/Messeinheit 4 kann auch dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit einer zweiten Stellgröße 9, die von der Regeleinheit 3 übertragen wird, nur eine bestimmte Anzahl der einzelnen Widerstandsheizdrähte des Heizelementes 5 zu schalten um einer Leistungsanforderung zu entsprechen. Zudem kann die Schalt-/Messeinheit 4 dazu eingerichtet sein, eine von dem Heizelement 5 umgesetzte elektrische Leistung durch Messung von Strom und/ oder Spannung des Heizelementes 5 zu bestimmen und an die Regeleinheit 3 als Istwert 7 zu übertragen.
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2 zeigt beispielshaft und schematisch einen hier vorgeschlagenen Durchlauferhitzer 2. Dieser kann eine hier vorgeschlagene Heizeinrichtung 1 aufweisen. Durch einen Zulauf Kaltwasser 10 wird zu erwärmendes Wasser in den Durchlauferhitzer 2 eingespeist und ein Durchflusssensor 12 kann dessen Massestrom bestimmen und einem Steuergerät 13 übermitteln. Das Steuergerät 13 kann eine Regeleinheit 3, einen gesteuerten Gleichrichter 6 und eine Mess-/Schalteinheit 4 umfassen. Der gesteuerte Gleichrichter 6 kann mit einem dreiphasigen Wechselstrom-Netzanschluss 14 zur Energieversorgung des Durchlauferhitzers verbunden sein.
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Das Steuergerät 13 kann zudem mit einem Bedienteil 16 verbunden sein, an dem ein Nutzer verschiedene Betriebsparameter, beispielsweise die Wassertemperatur, auf die der Durchlauferhitzer 2 das Wasser erwärmt, einstellen. Die am Bedienteil eingestellte gewünschte Wassertemperatur kann eine Führungsgröße 17 für die Regelung durch die Regeleinheit 3 darstellen oder eine elektrische (Ziel-)Heizleistung aus dieser abgeleitet werden, die zur Erwärmung des Wassers (auf die gewünschte Wassertemperatur) benötigt wird und vom Bedienteil 16 dem Steuergerät 13 zur Verfügung gestellt wird.
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Das Steuergerät 13 kann zudem mit einem motorgesteuerten Ventil 15 verbunden sein, das den Wasserdurchfluss durch den Durchlauferhitzer 2 unterbrechen kann. Zudem weist der Durchlauferhitzer 2 ein Heizelement 5 auf, dass gleichfalls mit dem Steuergerät 13, insbesondere mit einer im Steuergerät 13 angeordneten Mess-/Schalteinheit 4, elektrisch verbunden sein kann. Das Heizelement 5 kann eine Vielzahl von Widerstandsheizdrähten (Heizdrähten) aufweisen, die alle eine einzelne elektrische Verbindung zur Mess-/Schalteinheit 4 aufweisen und von dieser schaltbar sind. Das aus dem Heizelement ausfließende Wasser kann dann über einen Auslauf Warmwasser 11 dem Durchlauferhitzer 2 entnommen werden.
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Die Schalt-/Messeinheit 4 kann zudem dazu eingerichtet sein, anhand eines bekannten spezifischen elektrischen Widerstandes und des Temperaturkoeffizienten des Materials der Widerstandsheizdrähte des Heizelementes 5 eine Temperatur der Widerstandsheizdrähte, bzw. des Heizelementes 5, zu bestimmen und daraus einen Rückschluss auf die Temperatur des in dem Heizelement 5 erwärmten Wassers abzuleiten. In vorteilhafter Weise kann so auf eine zusätzliche Einrichtung zur Temperaturmessung des erwärmten Wassers, wie beispielsweise einem Temperatursensor, verzichtet werden.
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Die Schalt-/Messeinheit 4 kann weiterhin dazu eingerichtet sein, den Stromfluss durch die Widerstandsheizdrähte des Heizelementes 5 zu überwachen und so defekte Widerstandsheizdrähte zu detektieren. Eine Information über einen detektierten defekten Widerstandsheizdraht kann beispielsweise über eine Anzeige im Bedienteil 16 bereitgestellt werden.
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Im Rahmen der Überwachung der Widerstandsheizdrähte des Heizelementes 5 durch die Schalt-/Messeinheit 4 kann diese auch einen Leistungsverlust der Widerstandsheizdrähte über einen definierten Zeitraum und daraus beispielsweise eine Ausfallwahrscheinlichkeit ableiten. Diese Informationen können vorteilhaft in eine Wartung des Durchlauferhitzers 2 einbezogen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizeinrichtung
- 2
- Durchlauferhitzer
- 3
- Regeleinheit
- 4
- Schalt-/Messeinheit
- 5
- Heizelement
- 6
- Gleichrichter
- 7
- Istwert
- 8
- erste Stellgröße
- 9
- zweite Stellgröße
- 10
- Zulauf Kaltwasser
- 11
- Auslauf Warmwasser
- 12
- Durchflusssensor
- 13
- Steuergerät
- 14
- Anschluss Stromnetz
- 15
- Ventil
- 16
- Bedienteil
- 17
- Führungsgröße
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5479558 A [0004]
- DE 19745317 A1 [0005]
