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Die Erfindung betrifft eine Luftzuführvorrichtung mit einem elektromotorischen Antrieb, der eine Welle antreibt, die um eine Drehachse drehbar in einem Gehäuse gelagert ist, und mit einer Kühleinrichtung, die eine den elektromotorischen Antrieb umgebende Kühlmediumkühlung umfasst, die mit einer Luftkühlung kombiniert ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Motorkühlhülse für eine derartige Luftzuführvorrichtung.
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Stand der Technik
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2018 201 162 A1 ist eine als Turbomaschine ausgeführte Luftzuführvorrichtung bekannt, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einem Verdichter, einer Antriebsvorrichtung und einer Welle, wobei der Verdichter ein auf der Welle angeordnetes Laufrad, einen Verdichtereingang und einen Verdichterausgang aufweist, wobei ein Arbeitsfluid von dem Verdichtereingang zu dem Verdichterausgang förderbar ist, wobei an dem Verdichterausgang ein Antriebskühlpfad zur Kühlung der Antriebsvorrichtung abzweigt. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2014 224 774 A ist eine Kühleinheit eines Luftkompressors bekannt, der ein Spiralgehäuse, ein Laufrad, das an dem Spiralgehäuse montiert ist, und einen Motor enthält, der das Laufrad antreibt, und den Motor und Lager, die eine Drehwelle des Motors lagern, unter Verwendung von Luft an einer Auslassseite des Laufrads kühlt, wobei die Kühleinheit folgendes aufweist: Eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen, die entlang einer Radialrichtung in einem Motorgehäuse angeordnet sind, das mit dem Spiralgehäuse gekoppelt ist, und durch die Kühlmittel strömt; und einen Kanal für gekühlte Luft, der zwischen den Kühlmittelkanälen des Motorgehäuses ausgebildet ist und durch den die Luft strömt.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Luftzuführvorrichtung mit einem elektromotorischen Antrieb, der eine Welle antreibt, die um eine Drehachse drehbar in einem Gehäuse gelagert ist, und mit einer Kühleinrichtung, die eine den elektromotorischen Antrieb umgebende Kühlmediumkühlung umfasst, die mit einer Luftkühlung kombiniert ist, funktionell und/oder herstellungstechnisch zu verbessern.
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Die Aufgabe ist bei einer Luftzuführvorrichtung mit einem elektromotorischen Antrieb, der eine Welle antreibt, die um eine Drehachse drehbar in einem Gehäuse gelagert ist, und mit einer Kühleinrichtung, die eine den elektromotorischen Antrieb umgebende Kühlmediumkühlung umfasst, die mit einer Luftkühlung kombiniert ist, dadurch gelöst, dass die Kühleinrichtung eine Motorkühlhülse umfasst, die mit einem radial inneren Hülsenbereich wärmeleitend mit dem elektromotorischen Antrieb verbunden ist und die radial außen eine begrenzte Einströmausnehmung aufweist, die durch parallel verlaufende Kühlmediumkanäle jeweils direkt mit einer begrenzten Ausströmausnehmung verbunden ist, wobei sowohl die parallel verlaufenden Kühlmediumkanäle als auch die Einströmausnehmung und die Ausströmausnehmung der Motorkühlhülse radial außen offen sind. Die Kühlmediumkanäle dienen zur Darstellung einer Kühlkanalgeometrie für das vorzugsweise flüssige Kühlmedium. Die Kühlkanalgeometrie der Motorkühlhülse begrenzt die Kühlmediumkanäle radial innen und in axialer Richtung. Radial außen werden die Kühlmediumkanäle von der Motorkühlhülse nicht begrenzt. Die Begrenzung der Kühlmediumkanäle radial außen erfolgt durch ein separates Bauteil, zum Beispiel durch einen Gehäusekörper. Der Begriff parallel bedeutet im Hinblick auf die parallel verlaufenden Kühlmediumkanäle, dass diese im Sinne einer Parallelschaltung von dem vorzugsweise flüssigen Kühlmedium durchströmt werden. Direkt bedeutet im Hinblick auf die Verbindung der Einströmausnehmung mit der Ausströmausnehmung durch die Kühlmediumkanäle, dass sich diese geradlinig, das heißt insbesondere ohne Umlenkungen, zwischen der Einströmausnehmung und der Ausströmausnehmung erstrecken. Bei der Luftzuführvorrichtung handelt es sich insbesondere um einen Verdichter, der in einem Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von verdichteter Luft dient. Der Verdichter kann ein Laufrad umfassen. Der Verdichter kann aber auch mehrere Laufräder umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der Verdichter mit mindestens einem Turbinenrad ausgestattet sein. Dann wird der Verdichter auch als Turboverdichter oder Turbomaschine bezeichnet. Der elektromotorische Antrieb der Luftzuführvorrichtung umfasst vorzugsweise einen Elektromotor mit einem feststehenden Stator, in dem ein Rotor drehbar angeordnet ist. Die mit der Motorkühlhülse dargestellte Kühlkanalgeometrie dient, insbesondere in Verbindung mit einem Gehäusekörper, der die Motorkühlhülse radial außen umgibt, zur Darstellung von Hohlräumen, die von dem Kühlmedium durchströmt werden. Die Einströmausnehmung wird auch als Einströmkammer bezeichnet. Analog wird die Ausströmausnehmung auch als Ausströmkammer bezeichnet.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmausnehmung, die Ausströmausnehmung und die Kühlmediumkanäle radial außen von einem Gehäusekörper begrenzt sind. Der Gehäusekörper hat zum Beispiel im Wesentlichen die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels, der die Motorkühlhülse, insbesondere die radial außen offenen Bereiche der Kühlmediumhülse, umgibt. Dadurch wird die Darstellung von komplexen Kühlkanalgeometrien, die von Kühlmedium umströmt beziehungsweise durchströmt werden, fertigungstechnisch erheblich vereinfacht.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekörper eine der Einströmausnehmung zugeordnete Einströmöffnung und eine der Ausströmausnehmung zugeordnete Ausströmöffnung aufweist. Die Einströmöffnung und die Ausströmöffnung sind zum Beispiel Mündungen von Kühlmediumkanälen, die sich durch den Gehäusekörper erstrecken. Über diese Kühlmediumkanäle wird das temperierte und vorzugsweise flüssige Kühlmedium der Motorkühlhülse zugeführt und auch wieder abgeführt.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmausnehmung durch einen Trennsteg von der Ausströmausnehmung getrennt ist. Durch eine Druckdifferenz kann auf einfache Art und Weise eine gewünschte Kühlmediumströmung von der Einströmausnehmung durch die Kühlmediumkanäle zur Ausströmausnehmung erzwungen werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmediumkanäle als Nuten ausgeführt sind. Die Nuten können einen rechteckigen Nutausschnitt aufweisen. Je nach Ausführung können die Nuten aber auch einen trapezförmigen beziehungsweise konusförmigen Nutquerschnitt aufweisen. Die Nuten werden im Sinne einer Parallelschaltung gleichzeitig von der Einströmausnehmung zur Ausströmausnehmung durchströmt. Durch die parallelen Nuten ergeben sich ein sehr geringer Druckverlust und gleichzeitig eine sehr große Oberfläche, über welche Wärme abgeführt werden kann.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmediumkanäle in Umfangsrichtung verlaufen. So kann auf einfache Art und Weise die gesamte Umfangsfläche des elektromotorischen Antriebs effektiv gekühlt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmediumkanäle axial von lamellenartigen Rippen begrenzt werden, die von einem kreiszylindermantelförmigen Grundkörper der Motorkühlhülse abgewinkelt sind. Die lamellenartigen Rippen können auch als Lamellen bezeichnet werden. Die lamellenartigen Rippen sind vorzugsweise in rechten Winkeln von dem kreiszylindermantelförmigen Grundkörper abgewinkelt. Dabei sind die Rippen radial innen einstückig mit dem Grundkörper verbunden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen freien Enden der lamellenartigen Rippen und einem beziehungsweise dem Gehäusekörper Druckausgleichsspalte vorgesehen sind. Über die Druckausgleichsspalte kann auf einfache Art und Weise ein gewünschter Druckausgleich zwischen den einzelnen Nuten realisiert werden.
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Die oben angegebene Aufgabe ist auch durch eine Motorkühlhülse für eine vorab beschriebene Luftzuführvorrichtung gelöst. Die Motorkühlhülse ist separat handelbar.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Motorkühlhülse ist dadurch gekennzeichnet, dass die Motorkühlhülse als Einzelteil ausgeführt und hinsichtlich Wärmeleitung, Festigkeit, Fertigung und Herstellkosten optimiert ist. Ein Grundkörper der Motorkühlhülse hat vorzugsweise im Wesentlichen die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels. Der Grundkörper umfasst vorteilhaft axiale Abschnitte mit unterschiedlichen Innendurchmessern, Die Kühlmediumkanäle sind an der Motorkühlhülse vorteilhaft radial außen offen. Durch die offenen von außen zugänglichen Kühlmediumkanäle wird die Herstellung der Motorkühlhülse erheblich vereinfacht.
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Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Brennstoffzellensystem mit einer vorab beschriebenen Luftzuführvorrichtung. Die Luftzuführvorrichtung dient in dem Brennstoffzellensystem zum Verdichten von Luft, die einem Brennstoffzellenstack in dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer als Verdichter ausgeführten Luftzuführvorrichtung mit einer Kühleinrichtung, die eine Kühlmediumkühlung umfasst, die mit einer Luftkühlung kombiniert ist, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im Längsschnitt;
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel im Längsschnitt;
- 3 eine ähnliche Darstellung wie in 2 im Schnitt durch einen Trennsteg an einer Motorkühlhülse;
- 4 eine perspektivische Darstellung der Motorkühlhülse alleine; und
- 5 die Motorkühlhülse aus 4 in einer Draufsicht.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine Luftzuführvorrichtung 1 schematisch im Längsschnitt dargestellt. Die Luftzuführvorrichtung 1 ist als Verdichter mit zwei Laufrädern 3, 4 ausgeführt.
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Die Laufräder 3, 4 sind als Verdichterräder ausgeführt und jeweils in einem Spiralgehäuse 5, 6 drehbar angeordnet. Die Laufräder 3, 4 sind durch einen elektromotorischen Antrieb 2 drehbar angetrieben. Der elektromotorische Antrieb 2 umfasst einen Stator, in welchem ein Rotor mit einer Welle 7 drehbar angetrieben ist.
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Die Welle 7 ist mit Hilfe zweier Radiallager 8, 9 und eines Axiallagers 10 drehbar in einem Gehäuse 15 gelagert. Das Gehäuse 15 umfasst einen Gehäusekörper 16, der im Wesentlichen topfartig ausgeführt ist. Der topfartige Gehäusekörper 16 ist durch einen Gehäusedeckel 17 verschlossen. Das Gehäuse 15 mit dem Gehäusekörper 16 und dem Gehäusedeckel 17 ist in axialer Richtung zwischen den beiden Spitalgehäusen 5, 6 angeordnet, die ebenfalls Teile des Gehäuses 15 darstellen.
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Der Begriff axial bezieht sich auf eine Drehachse 13, um welche die Welle 7 mit den beiden Laufrädern 3, 4 drehbar in dem Gehäuse 15 gelagert ist. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zur Drehachse 13. Analog bedeutet radial quer zur Drehachse 13.
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Der elektromotorische Antrieb 2, insbesondere der Stator des elektromotorischen Antriebs 2, ist in dem Gehäuse 15 von einer Kühleinrichtung 11 umgeben. Die Kühleinrichtung 11 ist in einem Ringraum angeordnet, der radial innen von dem elektromotorischen Antrieb 2, insbesondere von dem Stator des elektromotorischen Antriebs 2, begrenzt wird.
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Radial außen wird der Ringraum, in welchem die Kühleinrichtung 11 angeordnet ist, von dem Gehäusekörper 16 begrenzt. In axialer Richtung wird der Ringraum, in welchem die Kühleinrichtung 11 angeordnet ist, von dem Gehäusekörper 16 und dem Gehäusedeckel 17 begrenzt.
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Die Kühleinrichtung 11 umfasst eine Kühlmediumkühlung 12 und eine Luftkühlung 20. Die Kühlmediumkühlung 12 wird mit einem vorzugsweise flüssigen Kühlmedium betrieben, zum Beispiel einem Wasser-Glykol-Gemisch. Im Betrieb der Kühlmediumkühlung 12 strömt das temperierte, vorzugsweise gekühlte, Kühlmedium durch eine radial nach außen offene Kühlkanalgeometrie 18.
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Die radial nach außen offene Kühlkanalgeometrie 18 umfasst eine Vielzahl von Kühlmediumkanälen 19, die an einer Motorkühlhülse 14 ausgebildet sind. Die radial nach außen offene Kühlkanalgeometrie 18 der Kühlmediumkühlung 12 wird größtenteils durch den Gehäusekörper 16 und zu einem kleinen Teil durch die Luftkühlung 20 begrenzt.
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Die Luftkühlung 20 umfasst eine ebenfalls radial nach außen offene Kühlkanalgeometrie 21 mit einer Vielzahl von Luftkanälen 22. Die radial nach außen offene Kühlkanalgeometrie 21 der Luftkühlung 20 wird radial außen durch den Gehäusekörper 16 begrenzt.
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In 2 sieht man, dass die Kühlkanalgeometrie 18 der Kühlmediumkühlung 12 radial innen von einem Grundkörper 23 der Motorkühlhülse 14 begrenzt wird. Analog wird die Kühlkanalgeometrie 21 der Luftkühlung 20 radial innen von einem Grundkörper 29 eines Luftkühlrings 24 begrenzt. Die Grundkörper 23, 29 haben jeweils vorzugsweise im Wesentlichen die Gestalt von geraden Kreiszylindermänteln.
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Der Grundkörper 23 der Motorkühlhülse 14 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel vier axiale Abschnitte 31, 32, 33, 34, in denen der Grundkörper 23 unterschiedliche Innendurchmesser aufweist. Durch die unterschiedlichen Innendurchmesser werden Absätze dargestellt, die zum Beispiel zum Positionieren der Motorkühlhülse 14 relativ zu dem elektromotorischen Antrieb 2 dienen. Die Außendurchmesser des Grundkörpers 23 der Motorkühlhülse 14 sind in den axialen Abschnitten 31 bis 34 vorteilhaft ebenfalls unterschiedlich groß gestaltet.
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Die Kühlkanalgeometrie 21 des Luftkühlrings 24 wird von zu kühlender Luft oder von zu temperierender Luft durchströmt. Radial innen kommt der Grundkörper des Luftkühlrings 24 mit dem vorzugsweise flüssigen Kühlmedium der Kühlmediumkühlung 12 in Kontakt.
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Die Motorkühlhülse 14 umfasst zur Darstellung der radial nach außen offenen Kühlkanalgeometrie 18 eine Vielzahl von lamellenartigen Rippen 26. Die lamellenartigen Rippen 26 haben im Wesentlichen die Gestalt von Kreisringscheiben, die Nuten der Kühlkanalgeometrie 18 begrenzen. Bei den Nuten handelt es sich um Radialnuten, die radial innen von dem Grundkörper 23 begrenzt werden. Radial außen sind die Nuten offen.
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Die Rippen 26 sind mit ihren freien Enden radial außen dem Gehäusekörper 16 zugewandt. Zwischen den freien Enden der lamellenartigen Rippen 26 und dem Gehäusekörper 16 sind Druckausgleichsspalte 27 vorgesehen, die einen Druckausgleich zwischen den mit Kühlmedium durchströmten Nuten ermöglichen.
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Eine beispielhaft angedeutete Dichteinrichtung 28 ist als O-Ring ausgeführt und dient zur Abdichtung zwischen der Motorkühlhülse 14 und dem Gehäusekörper 16. Analog dient eine vorzugsweise ebenfalls als O-Ring ausgeführte Dichteinrichtung 25 zur Abdichtung zwischen dem Luftkühlring 24 und dem Gehäusekörper 16.
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In 3 ist gezeigt, dass die Motorkühlhülse 14 einen Trennsteg 55 aufweist, dessen Funktion im Folgenden im Hinblick auf die 4 und 5 näher erläutert wird. Darüber hinaus sieht man in 3, dass in dem Gehäusekörper 16 eine Ausströmöffnung 54 für Kühlmedium vorgesehen ist. Der Trennsteg 55 liegt unter Ausbildung eines Dichtspalts 56 dicht an dem Grundkörper 16 des Gehäuses 15 an.
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In den 4 und 5 ist die Motorkühlhülse 14 mit ihren lamellenartigen Rippen 26 und dem Trennsteg 55 alleine in verschiedenen Ansichten dargestellt. Der Trennsteg 55 trennt eine an der Motorkühlhülse 14 vorgesehene Einströmausnehmung 51 von einer Ausströmausnehmung 52. Der Einströmausnehmung 51 ist eine Einströmöffnung 53 in dem Gehäusekörper 16 zugeordnet. Der Ausströmausnehmung 52 ist die Ausströmöffnung 54 in dem Gehäusekörper 16 zugeordnet.
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In 5 ist durch Pfeile 49, 50 angedeutet, wie die Motorkühlhülse 14 im eingebauten Zustand von Kühlmedium durchströmt wird. Im eingebauten Zustand werden die Einströmausnehmung 51 und die Ausströmausnehmung 52 von dem diese umgebenden Gehäusekörper 16 des Gehäuses 15 begrenzt. Dann stellen die Einströmausnehmung 51 und die Ausströmausnehmung 52 eine Einströmkammer und eine Ausströmkammer dar.
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Die Einströmkammer ist durch die von den Rippen 26 begrenzten Nuten im Sinne einer Parallelschaltung strömungstechnisch mit der Ausströmkammer verbunden. Durch die parallelen Nuten, die im Ausführungsbeispiel in Umfangsrichtung verlaufen, ergibt sich ein sehr geringer Druckverlust und gleichzeitig eine sehr große Oberfläche, über die Wärme von der Motorkühlhülse 14 an das diese umströmende Kühlmedium abgegeben werden kann.
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Im Betrieb der Luftzuführvorrichtung strömt das vorzugsweise flüssige Kühlmedium durch die Einströmöffnung 53 in die Einströmausnehmung beziehungsweise Einströmkammer 51. Aufgrund einer angelegten Druckdifferenz strömt das vorzugsweise flüssige Kühlmedium von der Einströmausnehmung oder Einströmkammer 51 parallel durch alle Nuten in die die Ausströmausnehmung 52 oder Ausströmkammer. Von dort tritt das Kühlmedium durch die Ausströmöffnung 54 aus.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018201162 A1 [0002]
- DE 102014224774 A [0002]
