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Die vorliegende Erfindung betrifft eine neuartige Kontaktscheibe für Vakuumschalter, einen Vakuumschalter mit einer derartigen Kontaktscheibe sowie ein Herstellungsverfahren für eine Kontaktscheibe.
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In Vakuumschaltern bzw. Vakuumschaltröhren für den Nieder-, Mittel- und Hochspannungsbereich werden insbesondere zum Ausschalten von Strömen größer einiger Kiloampere sogenannte Radial- oder Axialmagnetfeld-Kontakte (RMF- bzw. AMF-Kontakte) eingesetzt. Aufbau, Funktion und Wirkprinzipien solcher Kontaktelemente in herkömmlicher Bauweise sind beispielsweise in der im Jahr 2003 veröffentlichten Dissertationsschrift „Modellierung des Plasmas im Vakuum-Leistungsschalter unter Berücksichtigung axialer Magnetfelder“ von K. Jenkes-Botterweck, online verfügbar unter http://publications.rwth-aachen.de/record/58842, umfassend beschrieben.
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Weit verbreitete Bauformen sind der Spiral- und der Topfkontakt. Beim Spiralkontakt, beispielsweise offenbart in
DE102019216869A1 und in
DE102017214805A1 , wird das erforderliche Magnetfeld durch die geometrische Gestaltung der Kontaktscheibe selbst erzeugt, bei anderen Kontaktformen, insbesondere beim ebenfalls beispielsweise aus der
DE102017214805A1 bekannten Topfkontakt, wird das Magnetfeld durch einen zusätzlichen Spulenkörper geformt, auf welchen die Kontaktscheibe aufgesetzt ist.
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1 zeigt eine herkömmliche AMF Kontaktscheibe 10 in schematischer Darstellung. Die Kontaktscheibe 10 weist eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten, schräg liegenden Schlitzen 11 auf, die so geformt sind, dass sie (gemeinsam mit der Geometrie des entsprechenden Gegenkontakts) bei Stromfluss die Ausbildung eines Magnetfelds bewirken, das eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn und/oder eine großflächige Ausbreitung des Lichtbogens bewirkt.
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2 zeigt eine herkömmliche Spiralkontaktscheibe 20, die eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten, spiralförmigen Schlitzen 21 aufweist, die ebenfalls so in die Kontaktscheibe 20 eingebracht sind, dass sie (gemeinsam mit der Geometrie des entsprechenden Gegenkontakts) bei Stromfluss die Ausbildung eines Magnetfelds bewirken, das eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn und/oder eine großflächige Ausbreitung des Lichtbogens bewirkt.
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In 1 und 2 nicht dargestellt sind die jeweiligen Kontaktträger bzw. Spulenkörper.
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Nachteilig an den Kontaktscheiben gemäß des Standes der Technik ist, dass die Schlitzung der Kontaktscheibe deren mechanische Stabilität erheblich beeinträchtigt. Zudem hinterlassen die spanenden Arbeitsverfahren, die zum Einbringen der Schlitze angewendet werden, scharfe Kanten und Grate, die in zusätzlichen Arbeitsschritten abgerundet bzw. entfernt werden müssen, um Verletzungen bei der Handhabung der Kontaktscheiben sowie der fertigen Kontaktelemente zu verhindern. Scharfe Kanten und Grate können zu ferner zu lokalen Überhöhungen der elektrischen Feldstärke führen und so die dielektrische Festigkeit der Vakuumschaltröhre negativ beeinflussen. Weiterhin kann sich Grat unter dem Einfluss des elektrischen Feldes und/oder durch mechanische Erschütterung bei den Schaltvorgängen ablösen und einen elektrischen Durchschlag in der Vakuumschaltröhre einleiten.
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Ferner bewirken Lichtbogenereignisse auf der Oberfläche einer Kontaktscheibe ein teilweises Aufschmelzen insbesondere entlang der Schlitzkanten, in dessen Folge die Schlitze mit der Zahl der Schaltvorgänge schmaler und schließlich ganz kurzgeschlossen werden können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kontaktscheibe für Vakuumschalter sowie ein Herstellungsverfahren für eine derartige Kontaktscheibe anzugeben, wodurch die beschriebenen Nachteile vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kontaktscheibe eines Kontaktelements für einen Vakuumschalter, die überwiegend aus einem ersten leitfähigen Material oder Verbundwerkstoff besteht und eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten Einlassungen eines zweiten Materials mit gegenüber dem ersten Material oder Verbundwerkstoff geringerer Leitfähigkeit aufweist, welche bei einem Schaltvorgang des Vakuumschalters die Formung eines Magnetfeldes und somit eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn und/oder eine großflächige Ausbreitung des Lichtbogens bewirken.
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Mit anderen Worten ist gemäß der vorliegenden Erfindung in die aus dem Stand der Technik bekannten schlitzförmigen Öffnungen ein Material eingelassen, das gegenüber dem Material der Kontaktscheibe eine geringere Leitfähigkeit aufweist, wobei die Form der Einlassungen nicht auf Schlitze beschränkt ist, sondern eine deutlich größere Formenvielfalt erlaubt, wodurch wiederum Optimierungen der Magnetfeldbildung ermöglicht werden, die mit den klassischen schneidenden bzw. spanenden Verfahren nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand realisierbar sind.
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Ferner vermeidet oder verringert die vorliegende Erfindung den im Stand der Technik auftretenden Effekt, dass die Schlitze mit der Zahl der Schaltvorgänge schmaler und schließlich ganz kurzgeschlossen werden können, da die Schlitze bereits mit Material gefüllt sind und somit die Anlagerung von Material zumindest erschwert wird.
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Mit „Einlassung“ ist dabei vorzugsweise gemeint, dass das Einbringen des zweiten Materials in das erste Material bereits während der Ausformung der Kontaktscheibengrundform erfolgt und nicht nachträglich, also beispielsweise nicht, indem in eine Kontaktscheibe Schlitze eingebracht werden, die anschließend mit dem zweiten Material verfüllt werden.
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In bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist das erste leitfähige Material, also das Material des Kontaktscheibengrundkörpers, Kupfer oder ein kupferbasierter Verbundwerkstoff, insbesondere CuCr25 oder CuCr30 oder CuCr35.
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Für das in die Schlitze eingelassene Material wird bevorzugt Edelstahl oder ein anderes Metall mit deutlich geringerer Leitfähigkeit als Kupfer verwendet. Dabei beträgt die Leitfähigkeit des zweiten Materials vorzugsweise weniger als ein Zehntel der Leitfähigkeit des ersten Materials. In alternativen Ausgestaltungen werden Keramiken, Keramik-Metall-Verbundwerkstoffe (Cermets) oder Kunststoffe als zweites Material genutzt.
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Eine erfindungsgemäße Kontaktscheibe kann beispielsweise durch additive Herstellungsverfahren (3D-Druck) hergestellt werden, insbesondere durch ein 2-Komponenten-3D-DruckVerfahren. Der Vorteil des 3D-Drucks besteht darin, dass die Kontaktscheibe einschließlich der Einlassungen in einem Arbeitsgang gefertigt werden kann und auch komplexe Schlitzformen realisiert werden können, die mit herkömmlichen spanenden Arbeitsverfahren nicht oder nur mit großem Aufwand realisiert werden können.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Vakuumschalter mit einer Vakuumkammer, innerhalb derer zwei Kontaktelemente angeordnet sind, wobei mindestens eines der Kontaktelemente eine erfindungsgemäße Kontaktscheibe aufweist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein zum 3D-Druck alternatives Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemä-ßen Kontaktscheibe, die überwiegend aus einem ersten Material oder Verbundwerkstoff besteht. Dabei werden ein oder mehrere Formteile aus einem zweiten Material mit gegenüber dem ersten Material oder Verbundwerkstoff geringerer Leitfähigkeit in ein Pulverbett oder eine Press-Matrize eingebracht. Anschließend werden, falls erforderlich, die Form der Kontaktscheibe bestimmenden Formteile in die Press-Matrize eingebracht. In die Pressmatrize wird ein Pulver des ersten Materials bzw. eine Pulvermischung oder auch aus Pulver vorgepresste Grünteile eingebracht. Anschließend wird ein Pressdruck so ausgeübt, dass aus dem Pulver bzw. der Pulvermischung die Kontaktscheibe mit den eingebetteten bzw. eingelassenen Formteilen entsteht. Alternativ können auch Formteile aus dem ersten Material den Ausgangspunkt bilden, und es wird ein Pulver oder vorgepresste Grünkörper aus dem zweiten Material eingebracht.
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Dabei kann das Pulver bzw. die Pulvermischung während des Pressvorgangs zusätzlich mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden.
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Die Spannungseinspeisepunkte sowie die jeweils eingespeisten elektrischen Leistungen werden dabei bevorzugt so gewählt, dass die durch das/die Pulver fließenden Ströme annähernd gleichverteilt sind.
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Vorzugsweise wird als (erstes) Pulver ein Kupferpulver oder eine Mischung aus Kupferpartikeln und einem weiteren leitfähigen Material wie beispielsweise Chrom verwendet. Als zweites Material wird bevorzugt Edelstahl gewählt.
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Das oder die Formteile sind vorzugsweise so gestaltet, dass sie nach Verpressung und Sinterung des/der Pulver(s) über den Umfang verteilte Einlassungen in der Kontaktscheibe bilden, welche bei einem Schaltvorgang des Vakuumschalters die Formung eines Magnetfeldes und somit eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn und/oder eine großflächige Ausbreitung des Lichtbogens bewirken.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es sei darauf hingewiesen, dass sämtliche vorstehend und nachfolgend offenbarten Varianten, Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele uneingeschränkt miteinander kombinierbar sind.
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3 zeigt eine AMF-Kontaktscheibe gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung schematisch in perspektivischer Darstellung;
4 zeigt eine Spiralkontaktscheibe gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung schematisch in perspektivischer Darstellung; und
5 zeigt einen Vakuumschalter gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung schematisch in partieller Schnittdarstellung.
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3 zeigt eine AMF-Kontaktscheibe 30 eines AMF-Kontaktelements für einen Vakuumschalter 100 bestehend aus einem ersten leitfähigen Material oder Verbundwerkstoff. Das erste leitfähige Material ist dabei vorzugsweise Kupfer. Auf die Darstellung des Kontaktträgers wurde im Sinne einer klareren Darstellung der vorliegenden Erfindung verzichtet.
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Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Kontaktscheibe 30 bzw. ein Kontaktscheibenbereich an der Oberfläche eines Kontaktträgers angebracht oder in Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung einstückig mit dem Kontaktträger ausgebildet sein kann, und zwar an der Oberfläche des Kontaktelements, die später die trennbare elektrische Verbindung des Vakuumschalters bilden soll.
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Die Kontaktscheibe 30 weist eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten, schräg liegenden, im Beispiel der 3 im Wesentlichen schlitzförmigen Einlassungen 31 auf, in die ein zweites Material mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit gegenüber dem ersten Material eingelassen ist, und zwar so, dass die Einlassungen (gemeinsam mit der Geometrie der Einlassungen oder Schlitze des entsprechenden Gegenkontakts) bei Stromfluss die Formung eines Magnetfeldes und somit eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn und/oder eine großflächige Ausbreitung des Lichtbogens bewirken.
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4 zeigt eine Spiralkontaktscheibe 40 eines Kontaktelements für einen Vakuumschalter 100, ebenfalls bestehend aus einem ersten leitfähigen Material oder Verbundwerkstoff. Das erste leitfähige Material ist dabei wiederum vorzugsweise Kupfer. Auch in 4 wurde auf die Darstellung des Kontaktträgers im Sinne einer klareren Darstellung der vorliegenden Erfindung verzichtet. Auch für die Spiralkontaktscheibe 40 gilt, dass Kontaktscheibe 40 bzw. ein Kontaktscheibenbereich an der Oberfläche eines Kontaktträgers angebracht oder in Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung einstückig mit dem Kontaktträger ausgebildet sein kann, und zwar an der Oberfläche des Kontaktelements, die später die trennbare elektrische Verbindung des Vakuumschalters bilden soll.
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Die Kontaktscheibe 40 weist eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten Einlassungen 41 auf, welche spiralförmig verlaufenden und somit die Länge der Einlassung gegenüber geraden Schlitzen wie in 3 erhöhen. In diese Einlassungen ist ein zweites Material mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit gegenüber dem ersten Material eingelassen, und zwar wiederum so, dass die Einlassungen (gemeinsam mit der Geometrie der Einlassungen oder Schlitze des entsprechenden Gegenkontakts) bei Stromfluss die Formung eines Magnetfeldes und somit eine Bewegung eines entstehenden Lichtbogens auf einer vorgegebenen Bahn und/oder eine großflächige Ausbreitung des Lichtbogens bewirken.
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5 zeigt eine Vakuumschaltröhre 100 mit zwei Kontakten mit Kontaktträgern 32, 42, auf welche Kontaktscheiben 30, 40 gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebracht sind. Dabei wurden rein beispielhaft zwei AMF-Kontakte mit Kontaktscheiben 30 gemäß 3 detailliert dargestellt. In anderen Ausführungsbeispielen werden andere Kontaktscheibenformen, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konzipiert sind, verwendet.
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Der Vakuumschalter 100 weist eine feststehende Anschlussscheibe bzw. einen feststehenden Anschlussbolzen 110 aus leitfähigem Material, vorzugsweise aus Kupfer, auf. Dieser ist verbunden mit dem Spulenkörper 32, 42 eines feststehenden Kontakts. Ein beweglicher Kontakt ist planparallel zum feststehenden Kontakt ausgerichtet und wird von einem beweglichen Anschlussbolzen 170 getragen. Durch axiale Bewegung des beweglichen Anschlussbolzens 170 in Richtung des feststehenden Anschlussbolzens 110 wird der Vakuumschalter geschlossen, durch eine Bewegung in umgekehrter Richtung wird der Vakuumschalter geöffnet. Der bewegliche Anschlussbolzen wird dabei in einer Führung 160 geführt.
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Dabei sind die beiden Kontakte in einer Vakuumkammer 130 angeordnet, die mit einem Schirm 140 ausgekleidet ist und aus einem Körper 120 aus isolierendem Material besteht. Ein Metallfaltenbalg 150 dient der Abdichtung der Vakuumkammer 130 gegenüber der Umgebung im Bereich der Durchführung des beweglichen Anschlussbolzens in die Vakuumkammer.
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Im Folgenden wird ein bevorzugtes Herstellungsverfahren zur Herstellung der Kontaktscheiben 30, 40 beschrieben.
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Ein oder mehrere Formteile, vorzugsweise aus Edelstahl, die später die Einlassungen in der Kontaktscheibe 40 bilden, werden in eine Matrize eingebracht. Die Lage der Formteile wird dabei durch geeignete Mittel festgelegt. Beispielsweise kann ein Formteil verwendet werden, bei dem die mehreren Einlassungen durch schmale, die spätere Funktion nicht beeinträchtigende Stege miteinander verbunden sind und so einen Formteilverbund bilden, der gegenüber der folgenden Einfüllung von Pulver seine Form bewahrt.
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Alternativ können mehrere Formteile, die ihrer endgültigen Form weitgehend entsprechen, aber etwas über den späteren Umfang des Kontaktelements herausragen, in entsprechenden Aufnahmen der Matrize eingesetzt werden. Das über dem Umfang hinausragende Material der Formteile kann dann im Zuge der finalen Oberflächenbearbeitung des Kontaktelements mit entfernt werden.
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In die Zwischenräume der Matrize und die Formteile umgebend wird Kupferpulver oder eine Pulvermischung aus Kupfer und Chrom eingefüllt und über Pressstempel mit einem uniaxial wirkenden Druck beaufschlagt. Vorzugsweise wird gleichzeitig über die Pressstempel und die Matrize die zu sinternde Probe von elektrischem Strom in einer Art Reihenschaltung durchflossen. Die so erzeugte Joulesche Erwärmung der Probe bzw. der Matrize führt zu einer sehr schnellen Aufheizung der Probe und ermöglicht so das effiziente Sintern des Werkstoffs.
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Wie bereits erwähnt können auch Formteile aus dem ersten Material den Ausgangspunkt bilden, und es wird ein Pulver oder vorgepresste Grünkörper aus dem zweiten Material eingebracht.
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Die Matrize kann zusätzliche, die Form der Kontaktscheibe beeinflussende Formkörper aufweisen.
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In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das komplette Kontaktelement einschließlich Kontaktscheibe und Kontaktträger mittels des Sinterverfahrens hergestellt werden.
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Am Ende des SPS-Verfahrens steht eine Kontaktscheibe zur Verfügung, deren Oberflächen abhängig von der zu erzielenden Qualität noch bearbeitet werden müssen, beispielsweise durch Polieren, beispielsweise um eine möglichst plane, rillenfreie Kontaktfläche zu erzielen. Gegenüber bekannten Verfahren entfällt jedoch das Schlitzen der Kontaktscheibe sowie das Entgraten der Schlitze. Außerdem ist es gegenüber Schlitzverfahren möglich, die Formteile nahezu beliebig auszugestalten und damit das Magnetfeld zu optimieren.
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Von Vorteil ist, dass die gesinterte Kontaktscheibe bzw. das gesinterte Kontaktelement sehr endkonturnah ist, d.h. bei der finalen Bearbeitung fällt nur wenig Abfallmaterial an.
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Wie bereits angedeutet, ist es in vorteilhaften Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung möglich, die Kontaktscheibe aus einem Verbundmaterial zu fertigen, indem anstelle von reinem Kupferpulver ein geeignetes, im gesinterten Zustand die Festigkeit und/oder die Beständigkeit gegenüber Abbrand von Kupfer übersteigendes Pulvergemisch aus Kupfer und einem weiteren Material zugegeben wird. Dies kann auch lokal beschränkt erfolgen, d.h. beispielsweise in Bereichen des Spulenkörpers, die besonderen mechanischen und/oder elektrischen Belastungen ausgesetzt sind wie etwa die Oberfläche der Kontaktscheibe.
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Es sei darauf hingewiesen, dass hier nur ausgewählte Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, die sich die vorliegende Erfindung zunutze machen. Insbesondere ist es beispielsweise möglich, andere Formen von Kontaktscheiben und Kontakten mittels der hier beschriebenen Prinzipien zu konzipieren und zu fertigen. Ebenso sind die als bevorzugt bezeichneten Materialien zwar bevorzugt, aber die Erfindung ist nicht auf diese Materialien beschränkt. Ferner ist es, wie bereits erwähnt, beispielsweise möglich, anstelle des Sinterverfahrens ein additives Herstellungsverfahren (3D-Druck) zu wählen, für welches die meisten im Zusammenhang mit dem Sinterverfahren offenbarten Erwägungen und Vorteile gleichermaßen gelten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019216869 A1 [0003]
- DE 102017214805 A1 [0003]
