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Stand der Technik
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Im Stand der Technik sind Sensorvorrichtungen zur Erfassung einer Temperatur eines Messmediums bekannt. So ist beispielsweise aus der
DE 10 2016 219 992 A1 eine Sensorvorrichtung mit einem Gehäuse bekannt, das einen Gehäuseinnenraum aufweist. An dem Gehäuse ist ein abstehender Stutzen zur Einführung in eine von dem Messmedium durchströmte Leitung ausgebildet. Der Stutzen weist einen Kanal auf, der sich ausgehend von einer endseitigen Öffnung des Stutzens bis in den Gehäuseinnenraum erstreckt und zur Aufnahme eines in den Kanal eingeschobenen Temperatursensorelementes dient. Das Temperatursensorelement weist eine der Öffnung zugewandte Sensorpille und zwei sich ausgehend von der Sensorpille durch den Kanal hindurch in Richtung des Gehäuseinnenraums erstreckende Anschlussdrähte auf, die abschnittsweise von einer Schutzisolierung umgeben sind.
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Derartige Temperatursensorelement sind beispielsweise als NTC-Temperatursensoren (NTC: Negative Temperature Coefficient Thermistor) ausgebildet. Aufgrund der in der Praxis oft erforderlichen, geringen Ansprechzeiten für die Temperaturerfassung ist es vorteilhaft, wie in der
DE 10 2016 219 992 A1 beschrieben, das Temperatursensorelement innerhalb des Kanals direkt dem Messmedium auszusetzen und dieses beispielsweise nicht in einem Messfühler vollständig zu verkapselt. Das eigentliche keramische Sensorelement innerhalb der Sensorpille kann zum Schutz mit einem Glasüberzug versehen sein, während die Anschlussdrähte mit einer medienbeständigen Beschichtung versehen sind.
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Die Sensorvorrichtungen können auch als kombinierte Druck- und Temperatursensorvorrichtungen ausgebildet sein, welche zusätzlich zu dem Temperatursensorelement einen Drucksensor aufweisen. Eine derartige Sensorvorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 103 49 163 B4 bekannt. Ein in dem Stutzen des Gehäuses verlaufender Druckkanal ist dabei mit einem Drucksensorelement in dem Gehäuseinnenraum verbunden. Der Druckkanal ist nicht vollständig von dem für die Einführung des Temperatursensorelementes benötigten Kanal getrennt. Aus der gleichen Schrift ist es auch bekannt, einen in den Kanal eingesetzten und die Anschlussdrähte umgebenden Formkörper, der sich an einer Innenwandung des Kanals abstützt, zur Schwingungsreduktion und Dämpfung der Beweglichkeit der Anschlussdrähte zu verwenden. Der ausschließlich zur Schwingungsreduktion als Puffer verwandte Formkörper dichtet den Kanal jedoch nicht ab. Alternativ wird in der
DE 103 49 163 B4 ein Kleber zur Schwingungsdämpfung der Anschlussdrähte beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Erfassung einer Temperatur eines Messmediums, umfassend ein Gehäuse mit einem Gehäuseinnenraum, einen an dem Gehäuse ausgebildeten Stutzen zur Einführung in eine von dem Messmedium durchströmte Leitung, einen in dem Stutzen ausgebildeten Kanal, der sich ausgehend von einer endseitigen Öffnung des Stutzens bis in den Gehäuseinnenraum erstreckt, ein in den Kanal eingeschobenes Temperatursensorelement, welches eine der Öffnung zugewandte Sensorpille und sich von der Sensorpille durch den Kanal in Richtung des Gehäuseinnenraums erstreckende Anschlussdrähte aufweist, und mit einem in den Kanal eingesetzten, die Anschlussdrähte umgebenden Formkörper, der sich an einer Innenwandung des Kanals abstützt. Erfindungsgemäß ist der Formkörper als Dichtungselement ausgebildet, welches einerseits an der Innenwandung des Kanals dichtend anliegt und andererseits die Anschlussdrähte dichtend umgibt, so dass der Querschnitt des Kanals zwischen der Innenwandung und den Anschlussdrähten durch das Dichtungselement dicht verschlossen wird.
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Vorteile der Erfindung
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Die im Stand der Technik beschriebenen Lösungen sind für den Einsatz in Brennstoffzellensystemen nicht ohne weiteres geeignet. Brennstoffzellen gewinnen als Energieerzeuger zunehmend an Bedeutung, so dass die Verwendbarkeit von Sensorvorrichtungen zur Temperaturerfassung in oder an Brennstoffzellen beispielsweise auch für die Automobilindustrie eine zunehmende Rolle spielt. Problematisch ist, dass in Brennstoffzellensystem eine sehr viel höhere und anhaltendere Feuchtebelastung vorhanden sein kann als in Brennkraftmaschinen. Feuchtigkeit führt zur Korrosion und kann außerdem insbesondere die im Stand der Technik verwandten Klebstoffe angreifen. Hierdurch wird die Haftung eines Klebers am Temperatursensorelement und dessen Anschlussdrähten verringert, so dass sich dieses ablösen kann. Die elektrischen Kontaktstellen zwischen den freiliegenden Enden der Anschlussdrähte des Temperatursensorelements und entsprechenden Gegenkontakten im Gehäuseinnenraum der Sensorvorrichtung können ebenfalls angegriffen werden, da zu deren Schutz oft ein Silikonkleber eingesetzt wird, den die zu den Kontaktstellen ungehindert vordringende Feuchtigkeit ebenfalls angreift.
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Vorteilhaft wird durch die Auslegung des Formkörpers als Dichtungselement, erreicht, dass der Kanal durch ein dauerhaftes und feuchtigkeitsbeständiges Dichtungselement verschlossen wird. Da am Ort des Formkörpers kein Klebstoff zum Einsatz kommt, kann sich hier auch kein Klebstoff unter dem Einfluss der Feuchtigkeit ablösen. Mittels des Dichtungselementes kann außerdem eine zuverlässige Abdichtung des Kanals zwischen dessen Innenwandung und den Anschlussdrähten erreicht werden, so der Kanalquerschnitt zwischen der Innenwandung und den Anschlussdrähten unabhängig von der Adhäsion eines Klebstoffs dicht verschlossen ist und keine Feuchtigkeit entlang des Kanals zu den Kontaktanbindungen des Temperatursensors und elektronischen Bauelementen im Gehäuseinnenraum vordringen kann.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ermöglichen die in den abhängigen Ansprüchen enthaltenen Merkmale.
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Das Dichtungselement weist vorzugsweise einen sich entlang der Anschlussdrähte erstreckenden Grundkörper auf, an dessen Mantelfläche parallel zueinander verlaufende, gegen die Innenwandung des Kanals pressende, umlaufende äußere Dichtrippen angeordnet sind. Beim Einschieben des Dichtungselement in den Kanal pressen sich die äußeren Dichtrippen an die Innenwandung des Kanals. Jede einzelne Dichtrippe dichtet den Kanalquerschnitt umlaufend zwischen der Innenwandung und dem Grundkörper ab, wodurch eine besonders zuverlässige Abdichtung entsteht.
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Zur Abdichtung der Anschlussdrähte innerhalb des Grundkörpers können unterschiedliche Dichtkonzepte angewandt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Dichtungselement durchgehende Aufnahmeöffnungen auf, in denen jeweils ein Anschlussdraht des Temperatursensorelementes angeordnet ist, wobei in jeder Aufnahmeöffnung innere Dichtrippen angeordnet sind, welche den jeweiligen Anschlussdraht dichtend umschließen. Durch die Vielzahl der Dichtrippen wird die Zuverlässigkeit der Dichtheit der Aufnahmeöffnungen erhöht. Unter einem Anschlussdraht wird im Kontext der Anmeldung eine metallischer Anschlussdraht verstanden, der zumindest abschnittsweise mit einer Schutzbeschichtung versehen sein kann oder aber als blanker Metalldraht vorliegt. Der Anschlussdraht kann also isoliert oder abisoliert vorliegen. Die inneren Dichtrippen sind besonders vorteilhaft in Kombination mit Anschlussdrähten, die wenigstens abschnittsweise mit einer Schutzbeschichtung überzogen sind. Die Anschlussdrähte des Temperatursensorelementes können in die Aufnahmeöffnungen eingeschoben werden. Die inneren Dichtrippen liegen dann dicht an der Schutzbeschichtung der Anschlussdrähte an, wodurch eine Korrosion der Anschlussdrähte vermieden wird.
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In einer alternativen Ausführungsform können freiliegende Abschnitte der Anschlussdrähte in das Dichtungselement eingespritzt sein, so dass das Material des Dichtungselementes direkt auf den freiliegenden Abschnitten der Anschlussdrähte dichtend anhaftet. In diesem Fall wird der Formkörper durch Spritzguss hergestellt. Der durch Umspritzen mit Kunststoff hergestellte Stoffschluss zwischen dem Kunststoffmaterial und den freiliegenden metallischen Anschlussdrähten ist aufgrund der guten Haftung der meisten Kunststoffe auf Metall besonders gut. Natürlich können in einer alternativen Ausführungsform auch die mit einer Schutzbeschichtung versehenen Anschlussdrähte umspritzt werden.
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Vorteilhaft kann der Grundkörper des Dichtungselementes zylindrisch oder konusförmig ausgebildet sein. Ebenso kann der Kanal in der Längsrichtung der Anschlussdrähte zylindrisch oder konusförmig ausgestaltet werden. Daher kann beispielsweise ein zylindrischer Grundkörper in einen zylindrischen Kanal eingeschoben werden. Eine höhere Dichtwirkung kann jedoch vorteilhaft dadurch erzielt werden, wenn entweder der zylindrische Grundkörper in einen konischen Kanal oder eine konischer Grundkörper in einen zylindrischen Kanal eingeschoben wird oder ein konischer Grundkörper in einen konischen Kanal eingeschoben wird, wobei dann der Konus des Grundkörpers steiler als der Konus des Kanals ausgelegt werden kann. In den letzten drei Fällen erhöht sich mit zunehmender Einpresstiefe die Presswirkung zwischen der äußeren Mantelfläche des Grundkörpers und der Innenwandung des Kanals beziehungsweise zwischen den auf der äußeren Mantelfläche angeordneten äußeren Dichtrippen und der Innenwandung des Kanals. Durch die Presskraft ist daher die Dichtkraft vorteilhaft gut einstellbar.
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Vorteilhaft besteht das Dichtungselement aus einem feuchtigkeitsbeständigen Kautschukmaterial gebildet ist. Das Dichtungselement kann insbesondere aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) oder aus Fluor-Silikon-Kauschuk (FVMQ) bestehen. Beide Kunststoffmaterialien weisen eine hohe Feuchtigkeitsbeständigkeit auf.
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Die Sensorvorrichtung kann als Druck- und Temperaturerfassungsvorrichtung ausgebildet ist und einen in dem Stutzen verlaufenden, bis auf die gemeinsame Öffnung am abstehenden Ende des Stutzens vollständig von dem Kanal getrennten Druckkanal aufweist, der mit einem in dem Gehäuseinnenraum angeordneten Drucksensorelement kommuniziert. In diesem Fall wird durch die vollständige Abdichtung des Kanals erreicht, dass für die Druckerfassung ein getrennter Druckkanal verwandt wird. Da der Druckkanal mit dem Drucksensorelement mediendicht verschlossen werden kann, wird aufgrund der Abdichtung des Kanals für das Temperatursensorelement insgesamt eine sehr gute Dichtheit der Sensorvorrichtung gegenüber Feuchtigkeit erreicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden mögliche Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Dichtungselementes mit einem Temperatursensorelement,
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Dichtungselementes mit einem Temperatursensorelement,
- 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Dichtungselementes mit einem Temperatursensorelement,
- 4 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung,
- 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Temperatursensorelement 3 beispielsweise ein NTC-Temperatursensorelement, welches eine Sensorpille 31 und zwei sich an die Sensorpille 31 anschließende Anschlussdrähte 32 aufweist. In dem Ausführungsbeispiel der 1 sind die Anschlussdrähte 32 des Temperatursensorelementes 3 bis auf ihre freiliegenden Enden mit einer Schutzbeschichtung 33 aus beispielsweise PEEK (Polyetheretherketon) , ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen) oder PTFE (Polytetrafluorethylen) versehen. Eine Schutzbeschichtung deckt auch das eigentliche keramische NTC-Sensorelement in der Sensorpille 31 ab.
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Ein Formkörper 4 ist als Dichtungselement 44 ausgebildet und weist einen beispielsweise zylindrischen Grundkörper 43 auf, der in seiner Längsrichtung von zwei Aufnahmeöffnungen 41 durchdrungen wird. In den Aufnahmeöffnungen 41 ist jeweils ein Anschlussdraht 32 des Temperatursensorelementes 3 angeordnet. Die auf der von der Sensorpille 31 abweisenden Seite des Grundkörpers 43 aus dem Grundkörper 43 herausgeführten Endabschnitte der Anschlussdrähte 32 können freiliegen, weisen also keine Schutzbeschichtung 33 auf. An der Mantelfläche 45 des Grundkörpers 43 sind parallel zueinander verlaufende, umlaufende äußere Dichtrippen 42 angeordnet sind. Wie in 1 erkennbar ist, sind in den durchgehenden Aufnahmeöffnungen 41 den jeweiligen Anschlussdraht 32 dichtend umschließende innere Dichtrippen 46 angeordnet. Der Formkörper 4 ist beispielsweise aus einem feuchtigkeitsbeständigen Kautschukmaterial gebildet, beispielsweise aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) oder aus Fluor-Silikon-Kauschuk (FVMQ). Die Anschlussdrähte 32 des Temperatursensorelementes 3 können nach der Herstellung des Formkörpers 4 in die Aufnahmeöffnungen 41 eingefädelt werden und werden dabei durch die inneren Richtrippen 46 hindurchgeschoben. Dadurch entsteht eine separat herstellbare Baugruppe, die in einen Kanal 17 einer Sensorvorrichtung 1 eingeschoben werden kann.
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2 zeigt eine alternative Ausführungsform zur 1. Das Temperatursensorelement 3 ist in 2 gleichartig zu dem Temperatursensorelement in 1 aufgebaut. Der Formkörper 4, beziehungsweise das Dichtungselement 44 ist in diesem Ausführungsbeispiel jedoch durch einen Spritzgussvorgang hergestellt, bei dem das Kunststoffmaterial des Dichtungselementes 44 um die Anschlussdrähte 32 gespritzt wird. Dadurch entsteht eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Kunststoffmaterial des Dichtungselementes 44 und der Schutzbeschichtung 33 der Anschlussdrähte 32. Auch in 2 weist der Formkörper 4 einen zylindrischen Grundkörper 43 auf.
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3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem das Dichtungselement 44 mit einem konusförmigen Grundkörper 43 ausgebildet ist, bei dem sich der Außendurchmesser des Mantelfläche 45 in Richtung der Sensorpille 31 verjüngt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Anschlussdrähte 32 außerdem nur in ihrem sich an die Sensorpille 31 anschließenden Bereich mit einer Schutzbeschichtung 33 überzogen, während die freiliegenden Abschnitte der Anschlussdrähte 32 in das Dichtungselement 44 eingespritzt sind, so dass das Material des Dichtungselementes 44 direkt auf den freiliegenden Abschnitten der Anschlussdrähte 32 dichtend anhaftet. Das Dichtungselement 44 kann beispielsweise durch Spritzguss hergestellt sein. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann das Dichtungselement 44 beispielsweise aus einem feuchtigkeitsbeständigen Kautschukmaterial gebildet sein.
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4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 1 zur Erfassung einer Temperatur eines Messmediums. Bei dem Messmedium kann es sich um fluides Medium, also ein Gas oder eine Flüssigkeit handeln. Insbesondere kann es sich um ein in einer Leitung strömendes Medium handeln, dessen Temperatur erfasst werden soll, vorzugsweise einen Gasstrom in einer Brennstoffzelle. Die Sensorvorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 10, das beispielsweise zweiteilig aufgebaut ist und ein Gehäuseunterteil 12 und einen darauf dicht aufgesetzten Gehäusedeckel 11 aufweist. Gehäuseunterteil 12 und Gehäusedeckel können beispielsweise aus Kunststoff gefertigt sein. Zwischen dem Gehäuseunterteil 12 und dem Gehäusedeckel 11 birgt das Gehäuse 10 einen Gehäuseinnenraum 14. Das Gehäuseunterteil 12 weist einen abstehenden Stutzen 13 auf, der zur Einführung in das Messmedium bestimmt ist. Zu diesem Zweck kann der Stutzen 13 mit einem Dichtungsring 60 versehen sein, welcher den äußeren Umfang des Stutzens 13 beispielsweise gegen eine Leitung oder ein Behältnis, in dem sich das Messmedium befindet, abdichtet.
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In dem Stutzen 13 ist ein Kanal 17 angeordnet, sowie ein von diesem getrennter Druckkanal 15. Der Kanal 17 und der Druckkanal 15 sind an einer Öffnung 16 an einem von dem Gehäuse 10 abgewandten Ende des Stutzens 13 zugänglich. Der Kanal 17 kann in der Längsrichtung beispielsweise mit einer sich in Richtung der Öffnung 16 konisch verjüngenden Innenwandung 171 versehen sein. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein Einsatz in den Stutzen 13 eingespritzt werden, welcher den Kanal 17 aufweist, oder aber der Kanal 17 wird direkt bei der Herstellung des Gehäuseunterteils 12 in diesem angelegt.
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Ein Formkörper 4 und Dichtungselement 44, beispielsweise das in 3 dargestellte Dichtungselement 44 mit dem Temperatursensorelement 3, kann bei geöffnetem Gehäusedeckel 11 in den Kanal 17 mit der Sensorpille 31 voran eingeschoben werden. Dabei pressen sich die äußeren Dichtrippen 42 fest an die Innenwandung 171 an. Mit zunehmender Einpresstiefe pressen sich die Dichtrippen 42 fester gegen die Innenwandung 171 des Kanals 17 an, so dass der Querschnitt des Kanals 17 zwischen der Innenwandung 171 und den Anschlussdrähten 32 durch das Dichtungselement 44 dicht verschlossen wird. Die freiliegenden Enden der Anschlussdrähte 32 können im Gehäuseinnenraum 14 mit nicht dargestellten Kontaktelementen der Sensorvorrichtung kontaktiert werden. Die Sensorpille 31 wird durch den Kanal 17 hindurch geschoben und liegt an der Öffnung 16 des Stutzens 13 frei, beziehungsweise ist dort seitlich von einem Schutzgitter umgeben. Der Druckkanal 15 wird in 4 mit einem Drucksensorelement 2 verschlossen, welches umlaufend über dem gehäuseseitigen Ende des Druckkanals 15 angeordnet ist. Das Drucksensorelement 2 kann eine Auswerteschaltung 21 aufweisen und mit einer Gelabdeckung in dem Gehäuseinnenraum 14 abgedeckt sein. Zwischen dem Druckkanal 15 und dem Drucksensorelement 2 kann ein den Übergangsbereich abdichtendes Dichtungselement 50 angeordnet sein. Der Druckkanal 15 ist vorzugsweise vollständig von dem Kanal 17 getrennt. Ein Messmedium, welches in die Öffnung 16 eintritt gelangt über den Druckkanal 15 bis an das Drucksensorelement 2 und dessen druckempfindliche Bauteile, so dass der Druck problemlos erfasst werden kann. Das Messmedium gelangt auch über die Öffnung 16 an die Sensorpille 31 des Temperatursensorelementes 3 und kann diese umspülen, jedoch kann das Messmedium nicht in den abgedichteten Kanal 17 eindringen und über diesen bis zum Gehäuseinnenraum 14 vordringen.
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5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist in dem Gehäuseinnenraum 14 des Gehäuses 10 eine Leiterplatte 18 angeordnet, auf der sich das Drucksensorelement 2 befindet. Die Leiterplatte 18 kann über Kontaktfederelemente mit Steckerstiften 19 des Gehäusedeckels 11 kontaktiert sein. Der Kanal 17 in dem Stutzen 13 ist hier als zylindrische Bohrung ausgebildet, in welche ähnlich wie in 4 das Dichtungselement 44 mit dem Temperatursensorelement 3 eingeschoben ist. Die Anschlussdrähte 32 des Temperatursensorelementes 3 können in nicht dargestellter Weise mit der Leiterplatte 18 kontaktiert sein. Die Sensorpille 31 des Temperatursensorelementes 3 ist über die Öffnung 16 in dem Stutzen und seitliche Zugangsöffnungen für das Messmedium erreichbar. Wie in 4 dichtet das Dichtungselement 44 den Kanal 17 ab, so dass das Messmedium daran gehindert wird, in den Kanal 17 einzutreten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016219992 A1 [0001, 0002]
- DE 10349163 B4 [0003]
