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Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Wärmepumpen, die in einem Wärmekompressionzyklus arbeiten.
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Hintergrund
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Einige Wärmekompressions-Wärmepumpen 100 nutzen drei Kammern, die durch zwei sich hin- und herbewegende Verdränger begrenzt werden, wie diejenige, die in 1 gezeigt wird. Eine Heiß-Kammer 112 liegt zwischen einem Heiß-Wärmetauscher 122 und einem der beiden Verdränger, einem Heiß-Verdränger 102. Eine Kalt-Kammer 116 befindet sich zwischen einem Kalt-Wärmetauscher 126 und dem anderen der beiden Verdränger, einem Kalt-Verdränger 106. Und eine Warm-Kammer 114 befindet sich zwischen den beiden Verdrängern 102 und 106. Die Volumen innerhalb der Kammern hängen von der Position der Verdränger innerhalb des Zylinders 130 ab. Die Bewegung der Verdränger 102 und 106 wird durch eine Kurbel 110 synchronisiert.
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In einem Patent der gleichen Anmelderin,
US 9,677,794 , sorgt die Betätigung der Verdränger über ein Mechatroniksystem für eine unabhängige Steuerung der Verdränger. Es ist wünschenswert, Möglichkeiten auszunutzen, die eine unabhängige Steuerung der Verdränger bei der Änderung des genutzten Zyklus und des Aufbaus der Wärmepumpe bietet.
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Zusammenfassung
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Es wird ein Zyklus mit vier Prozessen offenbart, der eine höhere Leistungszahl aufzeigt als die bisher bekannten Vuilleumier-Wärmepumpen. Die Warm-Kammer wird in zwei Kammern getrennt, die über eine Temperaturbarrierekammer kommunizieren. Die beiden Kammern, Warm-Heiß und Warm-Kalt, kommunizieren jeweils mit einem dedizierten Wärmetauscher, Warm-Heiß bzw. Warm-Kalt. Die Temperatur in der Warm-Heiß- und der Warm-Kalt-Kammer wird durch die Menge an Flüssigkeit gesteuert, die jedem ihrer jeweiligen Wärmetauschern bereitgestellt wird. Dies ermöglicht es, die Temperatur in der Warm-Heiß- und der Warm-Kalt-Kammer unterschiedlich zu halten. Somit kann die Heizleistung und die Temperatur in jedem der Kühlmittelkreisläufe in dem Warm-Heiß- und dem Warm-Kalt-Wärmetauscher separat so gesteuert werden, dass sie die Anforderungen der jeweiligen Anwendung erfüllen.
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Es wird eine Wärmepumpe offenbart, die aufweist: einen Heiß-Zylinder mit einem Heiß-Verdränger, der darin angeordnet ist; einen Kalt-Zylinder mit einem Kalt-Verdränger, der darin angeordnet ist; einen Mechatronikabschnitt, der sich zwischen dem Heiß- und dem Kalt-Zylinder befindet; einen Dom, der an einem Ende des Heiß-Zylinders angeordnet ist; eine Kappe, die an einem Ende des Kalt-Zylinders angeordnet ist; eine Heiß-Kammer, die durch den Dom, den Heiß-Zylinder und den Heiß-Verdränger begrenzt wird; eine Warm-Heiß-Kammer, die durch den Mechatronikabschnitt, den Heiß-Zylinder und den Heiß-Verdränger begrenzt wird; eine Kalt-Kammer, die durch die Kappe, den Kalt-Zylinder und den Kalt-Verdränger begrenzt wird, und eine Warm-Kalt-Kammer, die durch den Mechatronikabschnitt, den Kalt-Zylinder und den Kalt-Verdränger begrenzt wird. Die Warm-Kalt-Kammer und die Warm-Heiß-Kammer sind über eine Temperaturbarrierekammer fluidgekoppelt. Die Temperaturbarrierekammer kann zumindest in einigen Ausführungsformen als Warm-Regenerator angesehen werden.
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Die Wärmepumpe umfasst des Weiteren: einen Heiß-Wärmetauscher, der mit der Heiß-Kammer fluidgekoppelt ist; einen Heiß-Regenerator, der mit dem Heiß-Wärmetauscher fluidgekoppelt ist; und einen Warm-Heiß-Wärmetauscher, der mit dem Heiß-Regenerator fluidgekoppelt ist. Der Warm-Heiß-Wärmetauscher ist ebenfalls mit der Temperaturbarrierekammer fluidgekoppelt.
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Die Wärmepumpe umfasst des Weiteren: einen Kalt-Wärmetauscher, der mit der Kalt-Kammer fluidgekoppelt ist; einen Kalt-Regenerator, der mit dem Kalt-Wärmetauscher fluidgekoppelt ist; und einen Warm-Kalt-Wärmetauscher, der mit dem Kalt-Regenerator fluidgekoppelt ist. Der Warm-Kalt-Wärmetauscher ist ebenfalls mit der Temperaturbarrierekammer fluidgekoppelt.
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Zwei Fluide fließen durch den Warm-Heiß-Wärmetauscher: ein Arbeitsfluid und ein Flüssigkühlmittel. Das Arbeitsfluid ist ein Gas, das innerhalb der Wärmepumpe angeordnet ist. Das Flüssigkühlmittel tritt in den Warm-Heiß-Wärmetauscher über einen Einlassstutzen ein, der ein Gehäuse der Wärmepumpe durchdringt, und das Flüssigkühlmittel tritt aus dem Warm-Heiß-Wärmetauscher über einen Auslassstutzen aus, der das Gehäuse der Wärmepumpe durchdringt.
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Zwei Fluide fließen durch den Warm-Kalt-Wärmetauscher: ein Arbeitsfluid und ein Flüssigkühlmittel. Das Arbeitsfluid ist ein Gas, das innerhalb der Wärmepumpe angeordnet ist. Das Flüssigkühlmittel tritt in den Warm-Kalt-Wärmetauscher über einen Einlassstutzen ein, der ein Gehäuse der Wärmepumpe durchdringt, und das Flüssigkühlmittel tritt aus dem Warm-Kalt-Wärmetauscher über einen Auslassstutzen aus, der das Gehäuse der Wärmepumpe durchdringt.
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Die Temperaturbarrierekammer besteht in einer Ausführungsform aus einer Mehrzahl von Kanälen. Bei einigen Ausführungsformen weisen die Kanäle eine wärmeisolierende Beschichtung auf der Innenseite auf. Alternativ weist die Temperaturbarrierekammer eine Regeneratorkammer mit einem darin angeordneten porösen Medium auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die Temperaturbarrierekammer ein Rohr mit einem frei schwebenden Kolben darin auf. Bei einigen Ausführungsformen besteht der Kolben aus einem leichten Material.
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Die Wärmepumpe weist ebenfalls einen Warm-Heiß-Wärmetauscher auf. Der Warm-Heiß-Wärmetauscher und die Temperaturbarrierekammer sind beide mit der Warm-Heiß-Kammer fluidgekoppelt.
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Die Wärmepumpe weist ebenfalls einen Warm-Kalt-Wärmetauscher auf. Der Warm-Kalt-Wärmetauscher, wobei der Warm-Kalt-Wärmetauscher und die Temperaturbarrierekammer beide mit der Warm-Kalt-Kammer fluidgekoppelt sind.
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Es wird ebenfalls eine Wärmepumpe offenbart, die umfasst: ein Gehäuse; einen Heiß-Zylinder und einen Kalt-Zylinder, die innerhalb des Gehäuse angeordnet sind; ein Heiß-Verdränger, der innerhalb des Heiß-Zylinders angeordnet ist; ein Kalt-Verdränger, der innerhalb des Kalt-Zylinders angeordnet ist; einen Mechatronikabschnitt, der in dem Gehäuse zwischen dem Heiß-Zylinder und dem Kalt-Zylinder angeordnet ist; einen Dom, der an den Heiß-Zylinder an einem vom Mechatronikabschnitt entfernten Ende des Heiß-Zylinders gekoppelt ist; einen Kappe, die an den Kalt-Zylinder an einem vom Mechatronikabschnitt entfernten Ende des Kalt-Zylinders gekoppelt ist; einen Ringraum, der durch das Gehäuse, den Heiß-Zylinder, den Kalt-Zylinder und den Mechatronikabschnitt begrenzt wird; eine Heiß-Kammer, die durch den Dom, den Heiß-Zylinder und den Heiß-Verdränger begrenzt wird; eine Warm-Heiß-Kammer, die durch den Mechatronikabschnitt, den Heiß-Zylinder und den Heiß-Verdränger begrenzt wird; eine Kalt-Kammer, die durch die Kappe, den Kalt-Zylinder und den Kalt-Verdränger begrenzt wird; eine Warm-Kalt-Kammer, die durch den Mechatronikabschnitt, den Kalt-Zylinder und den Kalt-Verdränger begrenzt wird. Die Warm-Kalt-Kammer und die Warm-Heiß-Kammer sind über eine Temperaturbarrierekammer fluidgekoppelt, die sich in dem Ringraum befinden.
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Die Temperaturbarrierekammer weist eine Mehrzahl von Kanälen auf.
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Die Temperaturbarrierekammer weist eine Regeneratorkammer mit einem porösen Medium darin auf.
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Die Temperaturbarrierekammer ist ein Rohr mit einem darin angeordneten frei schwebenden Kolben.
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Die Wärmepumpe weist ebenfalls auf: einen Heiß-Wärmetauscher; einen Warm-Heiß-Wärmetauscher; einen Warm-Kalt-Wärmetauscher; einen Kalt-Wärmetauscher; einen Heiß-Regenerator; und einen Kalt-Regenerator. Der Heiß-Wärmetauscher ist sowohl an die Heiß-Kammer als auch den Heiß-Regenerator fluidgekoppelt. Der Heiß-Regenerator ist sowohl an den Heiß-Wärmetauscher als auch den Warm-Heiß-Wärmetauscher fluidgekoppelt. Der Warm-Heiß-Wärmetauscher ist an den Heiß-Wärmetauscher, die Warm-Heiß-Kammer und die Temperaturbarrierekammer fluidgekoppelt. Die Temperaturbarrierekammer ist an den Warm-Heiß-Wärmetauscher, die Warm-Heiß-Kammer, den Warm-Kalt-Wärmetauscher und die Warm-Kalt-Kammer fluidgekoppelt. Der Warm-Kalt-Wärmetauscher ist an die Temperaturbarrierekammer, die Warm-Kalt-Kammer und den Kalt-Regenerator fluidgekoppelt. Der Kalt-Regenerator ist sowohl an den Warm-Kalt-Wärmetauscher als auch den Kalt-Wärmetauscher fluidgekoppelt. Der Kalt-Wärmetauscher ist sowohl an den Kalt-Regenerator als auch die Kalt-Kammer fluidgekoppelt.
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Der Heiß-Regenerator, der Warm-Heiß-Wärmetauscher, der Warm-Kalt-Wärmetauscher und der Kalt-Wärmetauscher sind im Ringraum angeordnet.
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Ein Arbeitsfluid ist in der Heiß-Kammer, der Warm-Heiß-Kammer, der Warm-Kalt-Kammer, der Kalt-Kammer, dem Heiß-Regenerator, der Temperaturbarrierekammer, dem Kalt-Regenerator, dem Heiß-Wärmetauscher, dem Warm-Heiß-Wärmetauscher, dem Warm-Kalt-Wärmetauscher und dem Kalt-Wärmetauscher angeordnet. Das Arbeitsfluid ist eines von Helium, Neon und Wasserstoff.
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Der Warm-Heiß-Wärmetauscher ist mit zwei Fluiden versehen: dem Arbeitsfluid und einem Warm-Heiß-Flüssigkühlmittel. Der Warm-Kalt-Wärmetauscher ist mit zwei Fluiden versehen: dem Arbeitsfluid und einem Warm-Kalt-Flüssigkühlmittel.
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Das Warm-Heiß-Flüssigkühlmittel weist einen Warm-Heiß-Flüssigkühlmitteleinlass und einen Warm-Heiß-Flüssigkühlmittelauslass auf, die zu dem Warm-Heiß-Wärmetauscher über eine erste bzw. zweite Einmündung Zugang haben, die das Gehäuse durchdringen; und
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Das Warm-Kalt-Flüssigkühlmittel weist einen Warm-Kalt-Flüssigkühlmitteleinlass und einen Warm-Kalt-Flüssigkühlmittelauslass auf, die zu dem Warm-Kalt-Wärmetauscher über eine dritte bzw. vierte Einmündung Zugang haben, die das Gehäuse durchdringen.
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Der Heiß-Wärmetauscher ist mit zwei Fluiden versehen: dem Arbeitsfluid und Verbrennungsgasen. Der Kalt-Wärmetauscher ist mit zwei Fluiden versehen: dem Arbeitsfluid und einem Kalt-Flüssigkühlmittel.
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Es wird ebenfalls eine Wärmepumpe offenbart, die umfasst: eine Warm-Heiß-Kammer, die innerhalb der Wärmepumpe begrenzt ist; eine Warm-Kalt-Kammer, die innerhalb der Wärmepumpe begrenzt ist; einen Warm-Heiß-Wärmetauscher; einen Warm-Kalt-Wärmetauscher; und eine Temperaturbarrierekammer, die ein Heiß-Ende und ein Kalt-Ende aufweist. Das Heiß-Ende ist sowohl an die Warm-Heiß-Kammer als auch den Warm-Heiß-Wärmetauscher fluidgekoppelt. Das Kalt-Ende ist sowohl an die Warm-Kalt-Kammer als auch den Warm-Kalt-Wärmetauscher fluidgekoppelt.
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Die Temperaturbarrierekammer eines von: einer Regeneratorkammer mit einem darin angeordneten porösen Medium, eine Mehrzahl von Kanälen, einem Rohr mit einem darin angeordneten frei schwebenden, impermeablen Kolben, und einem Rohr mit einem dort angeordneten frei schwebenden, porösen Kolben.
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Die Wärmepumpe umfasst des Weiteren: einen Heiß-Zylinder mit einem Heiß-Verdränger, der darin angeordnet ist; einen Kalt-Zylinder mit einem Kalt-Verdränger, der darin angeordnet ist; einen Mechatronikabschnitt, der sich zwischen dem Heiß- und dem Kalt-Zylinder befindet; eine Heiß-Verdrängerstange, die zwischen den Heiß-Verdränger und den Mechatronikabschnitt gekoppelt ist; und eine Kalt-Verdrängerstange, die zwischen den Kalt-Verdränger und den Mechatronikabschnitt gekoppelt ist. Die Warm-Heiß-Kammer wird durch den Mechatronikabschnitt, den Heiß-Zylinder und den Heiß-Verdränger begrenzt. Die Warm-Kalt-Kammer wird durch den Mechatronikabschnitt, den Kalt-Zylinder und den Kalt-Verdränger begrenzt.
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Es gibt eine Vielfalt von Anwendungen, bei denen es für vorteilhafte Betriebsbedingungen sorgt, vier Kammern in der Wärmepumpe zu haben. Die Wärmepumpe kann des Weiteren umfassen: einen ersten externen Wärmetauscher, der einen ersten Fluidstrom von dem Warm-Heiß-Wärmetauscher empfängt und den ersten Fluidstrom an den Warm-Heiß-Wärmetauscher zurückführt; und einen zweiten externen Wärmetauscher, der einen zweiten Fluidstrom von dem Warm-Kalt-Wärmetauscher empfängt und den zweiten Fluidstrom an den Warm-Kalt-Wärmetauscher zurückführt. Der erste Wärmetauscher kann bei einer höheren Temperatur als der zweite Wärmetauscher betrieben werden, um die gewünschten Temperaturen für zwei Züge innerhalb des Hauses oder Gebäudes bereitzustellen.
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In einem weiteren Beispiel umfasst die Wärmepumpe: ein Ventil, das einen Fluidstrom von dem Warm-Heiß-Wärmetauscher empfängt; einen ersten externen Wärmetauscher, der mit dem Ventil fluidgekoppelt ist; einen zweiten externen Wärmetauscher, der mit dem Ventil fluidgekoppelt ist, und eine Bypassleitung, die eine Auslassleitung des Warm-Kalt-Wärmetauschers mit einer Einlassleitung des Warm-Heiß-Wärmetauschers koppelt. Das Ventil leitet den Fluss an einen oder beide von dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher basierend auf dem Heizbedarf.
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Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Wärmepumpe auch: ein zweites Ventil, das einen Fluidstrom von dem Kalt-Wärmetauscher empfängt; einen dritten externen Wärmetauscher, der mit dem zweiten Ventil fluidgekoppelt ist; und einen vierten externen Wärmetauscher, der mit dem zweiten Ventil fluidgekoppelt ist.
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Die Wärmepumpe befindet sich innerhalb eines Gebäudes. Der erste und der dritte Wärmetauscher befinden sich innerhalb des Gebäudes. Der zweite und der vierte Wärmetauscher befinden sich außerhalb des Gebäudes.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Prinzipdarstellung einer Vuilleumier-Wärmepumpe nach dem Stand der Technik;
- 2 ist eine Querschnittszeichnung einer Wärmekompressions-Wärmepumpe;
- 3 ist eine schematische Darstellung einer Wärmekompressions-Wärmepumpe, an Endpunkten des Zyklus A, B, C, D, A dargestellt;
- 4 zeigt idealisierte thermodynamische Zyklen in jeder der Kammern der Vier-Kammer-Wärmepumpe, die die Endpunkte der Zyklen A, B, C und D zeigen, die in Bezug zu den Endpunkten aus 3 stehen;
- Die 5 - 7 zeigen Alternativen für eine Wärmebarrierekammer;
- Die 8 - 11 zeigen alternative Bauweisen, wie die Wärmepumpe für verschiedene Anwendungen an externe Wärmetauscher angeschlossen ist; und
- 12 zeigt einen Aufbau eines Gebäudes, in dem sich eine Wärmepumpe befindet.
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Detaillierte Beschreibung
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Wie der Durchschnittsfachmann verstehen wird, können verschiedene Merkmale der gezeigten und unter Bezugnahme auf eine der Figuren beschriebenen Ausführungsformen mit in einer oder mehr anderen Figuren gezeigten Merkmalen kombiniert werden, um alternative Ausführungsformen zu ergeben, die nicht explizit gezeigt oder beschrieben werden. Die Kombinationen von gezeigten Merkmalen sehen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen vor. Jedoch können verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung konsistent sind, für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen gewünscht sein. Der Durchschnittsfachmann mag ähnliche Anwendungen oder Implementierungen erkennen, ob sie explizit beschrieben oder beschrieben sind oder nicht.
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Es wird eine Kompressions-Expansions-Wärmepumpe 200 in 2 gezeigt, bei der die Verdränger nicht über eine Kurbel synchronisiert sind und unabhängig betätigt werden. Eine solche Wärmepumpe 200 sorgt für eine größere Flexibilität beim Steuern der Ausgangsleistung der Wärmepumpe und bei der Anordnung der Kammern. Die Wärmepumpe 200 weist einen Heiß-Wärmetauscher 202, einen Zylinder 204, in dem sich ein Heiß-Verdränger 206 hin- und herbewegt, und einen Zylinder 208 auf, in dem sich ein Kalt-Verdränger 210 hin- und herbewegt. Mechatronik-Aktuatoren in dem Mechatronikabschnitt 220 sind an die Heiß- und Kalt-Verdränger 206 und 210 gekoppelt und treiben die Kalt-Verdränger zwischen Endlagen an. Der Heiß-Verdränger 206 und der Kalt-Verdränger 210 sind an den Mechatronikabschnitt 220 über Stangen 290 bzw. 292 verbunden. Ein Arbeitsfluid, wie etwa Helium, das in den Zylindern 204 und 208 enthalten ist.
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Wenn sich die Verdränger 206 und 210 hin- und herbewegen, bewegt sich die Arbeitsgas in den Kammern (oberhalb und unterhalb jedes der Verdränger 206 und 210). Eine Heiß-Kammer 280 befindet sich oberhalb des Heiß-Verdrängers 206. Eine Warm-Heiß-Kammer 282 befindet sich unterhalb des Heiß-Verdrängers 206. Wenn sich die Heiß-Kammer 280 nach oben bewegt, bewegt sich Arbeitsgas von der Heiß-Kammer 280 in den Heiß-Wärmetauscher 202 in einen Heiß-Regenerator 230, in einen Heiß-Warm-Wärmetauscher 230 und eine Warm-Heiß-Kammer 282. Wenn der Heiß-Verdränger 206 sich in der anderen Richtung bewegt, ist der Fluss verglichen mit dem oben beschriebenen umgekehrt.
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Eine Warm-Kalt-Kammer 284 liegt innerhalb des Zylinders 208 zwischen dem Mechatronikabschnitt 220 und dem Kalt-Verdränger 210. Eine Kalt-Kammer 286 wird durch den Kalt-Verdränger 210, den Zylinder 208 und ein unteres Ende eines Gehäuses der Wärmepumpe 200 definiert. Wenn sich der Kalt-Verdränger nach unten bewegt, bewegt sich Arbeitsgas von der Kalt-Kammer 286 in den Kalt-Wärmetauscher 260 im Kalt-Regenerator 270 in den Warm-Kalt-Wärmetauscher 250 und in die Warm-Kalt-Kammer 284. Wenn sich der Kalt-Verdränger nach oben bewegt, ist der Fluss in Bezug auf den unmittelbar zuvor beschriebenen umgekehrt.
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Eines der Fluide, die die Wärmetauscher 240, 250 und 260 durchlaufen, ist das Arbeitsfluid. Das andere Fluid im vorliegenden Beispiel ist ein Flüssigkühlmittel. In Bezug auf den Warm-Heiß-Wärmetauscher 240 hat Kühlmittel Zugang zu den Kanälen des Warm-Heiß-Wärmetauschers 240 durch den Einlass 242 und tritt durch den Durchlass 244 aus. In ähnlicher Weise sind die Kanäle des Warm-Kalt-Wärmetauschers 250 an einen Einlass 252 und einen Auslass 254 gekoppelt; und Kanäle des Kalt-Wärmetauschers 260 sind an einen Einlass 262 und einen Auslass 264 gekoppelt.
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Es wird eine schematische Darstellung von vier Positionen in einer Wärmekompressions-Wärmepumpe in 3 gezeigt, nämlich die Positionen A, B, C, D, und dann zurück zur ursprünglichen Position A, um den Zyklus abzuschließen. Innerhalb der vorliegenden Offenbarung bezeichnet der Begriff Wärmetauscher eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärme zwischen zwei oder mehr Fluiden. Der Begriff Regenerator bezeichnet hier ein Wärmeaustauschsystem, in dem Wärme von einem einzelnen Fluid zyklisch mit einer Wärmesenke ausgetauscht wird, wobei die Wärmesenke ein Nicht-Fluid ist, wie etwa ein metallisches, aus Glasfaser oder Keramik bestehendes Geflecht, ein massives Stück Metall oder irgendein anderes geeignetes Material.
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Unter Bezugnahme auf 3 weist die Wärmepumpe 10 einen Kalt-Verdränger 16 und einen Heiß-Verdränger 12 auf, die sich innerhalb jeweiliger Zylinder hin- und herbewegen. Das Arbeitsfluid innerhalb der Wärmepumpe 10 ist ein Gas, wie etwa Helium oder Wasserstoff. In den Positionen A und B ist der Heiß-Verdränger 12 in seiner oberen Position. Die Heiß-Kammer 22 weist nahezu kein Fluid auf, wenn der Heiß-Verdränger 12 in seiner oberen Position ist. Unterhalb des Heiß-Verdrängers 12 ist eine Warm-Heiß-Kammer 24. Eine solche Warm-Heiß-Kammer 24 weist sehr wenig Fluid in sich auf, wenn die Wärmepumpe in den Positionen C oder D ist. Analog begrenzt ein Kalt-Verdränger 16 eine Warm-Kalt-Kammer 26 und eine Kalt-Kammer 28. Wenn der Kalt-Verdränger 16 in seiner oberen Position ist (Positionen A und D), ist nahezu kein Fluid in der Warm-Kalt-Kammer 26; und wenn der Kalt-Verdränger 16 in seiner unteren Position ist (Positionen B und C), ist nahezu kein Fluid in der Kalt-Kammer 28.
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Die Heiß-Kammer 22 ist mit einem Heiß-Wärmetauscher 32 fluidgekoppelt. Abgase treten am Einlass 52 ein und am Ausgang 53 aus. Abgase tauschen Wärme mit dem Arbeitsfluid innerhalb des Heiß-Wärmetauschers 32 aus. In einer Alternative wird eine Solarheizung zum Erwärmen des Arbeitsfluids anstelle des Heiß-Wärmetauschers 32 verwendet. Die Kalt-Kammer 28 ist mit einem Kalt-Wärmetauscher 38 fluidgekoppelt. Der Kalt-Wärmetauscher 38 ist mit einem Kalt-Flüssigkühlmittelkreislauf (nur teilweise in 3 gezeigt) versehen. Es wird ein Kalt-Kühlmittel am Einlass 58 zugeführt und tritt über den Auslass 59 des Kalt-Wärmetauschers 38 aus.
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Das Arbeitsfluid innerhalb des Heiß-Wärmetauschers 32 ist mit einem Heiß-Regenerator 42 fluidgekoppelt. Der Heiß-Regenerator 42 ist mit einem Warm-Heiß-Wärmetauscher 34 fluidgekoppelt. Dem Warm-Heiß-Wärmetauscher 34 wird ein Warm-Heiß-Kühlmittel durch die Leitung 55 zugeführt, wobei das Warm-Heiß-Kühlmittel an der Leitung 54 austritt.
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Das Arbeitsfluid innerhalb des Kalt-Wärmetauschers 38 ist mit einem Kalt-Regenerator 46 fluidgekoppelt. Der Kalt-Regenerator 46 ist mit einem Warm-Kalt-Wärmetauscher 36 fluidgekoppelt. Dem Warm-Kalt-Wärmetauscher 36 wird ein Warm-Kalt-Kühlmittel an der Leitung 57 zugeführt, die am Auslass 56 austritt.
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Der Warm-Heiß-Wärmetauscher 34 ist mit sowohl der Warm-Kalt-Kammer 34 und einer Temperaturbarrierekammer 44 fluidgekoppelt. Analog ist der Warm-Kalt-Wärmetauscher 36 sowohl an den Warm-Kalt-Wärmetauscher 36 als auch an die Warm-Kalt-Kammer 26 fluidgekoppelt. Wie unten besprochen werden wird, gibt es für die vorgesehene Temperaturbarrierekammer mehrere Ausführungsformen. Bei einer Ausführungsform ist die Temperaturbarrierekammer ein Warm-Regenerator. Bei anderen Ausführungsformen stellt die Temperaturbarrierekammer viel von der gleichen Funktion wie ein Warm-Regenerator bereit.
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In einem Prozess, der bei Position A beginnt und bei Position B endet, bewegt sich der Kalt-Verdränger 16 nach unten, wobei er Arbeitsfluid aus der Kalt-Kammer 28 in den Kalt-Wärmetauscher 38 verdrängt. Das Arbeitsfluid im Kalt-Wärmetauscher 38 bewegt sich in den Kalt-Regenerator 46. Das Arbeitsfluid im Kalt-Regenerator 46 wird in den Warm-Kalt-Wärmetauscher 36 gedrückt. Einiges von dem Arbeitsfluid im Warm-Kalt-Wärmetauscher bewegt sich in die Temperaturbarrierekammer 44, und das meiste davon in die Warm-Kalt-Kammer 26.
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In einem Prozess von Position B bis Position C bewegt sich der Heiß-Verdränger nach unten, wobei er Fluid aus der Warm-Heiß-Kammer 24 in den Warm-Heiß-Wärmetauscher 34 und in die Temperaturbarrierekammer 44 drückt. Das Arbeitsfluid im Warm-Heiß-Wärmetauscher 34 bewegt sich in den Heiß-Regenerator 42. Das Arbeitsfluid im Heiß-Regenerator 42 bewegt sich in den Heiß-Wärmetauscher 32. Das Arbeitsfluid im Heiß-Wärmetauscher 32 bewegt sich in die Heiß-Kammer 22.
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In einem Prozess von Position C bis Position D wird das Arbeitsfluid aus der Warm-Kalt-Kammer 26 gedrückt. Das Arbeitsfluid bewegt sich in sowohl die Temperaturbarrierekammer 44 als auch den Warm-Kalt-Wärmetauscher 36. Fluid von dem Warm-Kalt-Wärmetauscher 36 bewegt sich in den Kalt-Wärmetauscher 46, von dem Fluid sich in den Kalt-Wärmetauscher 38 bewegt, und von dem sich Fluid in die Kalt-Kammer 28 bewegt.
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In 3 wird eine Stange 13 gezeigt, die zwischen den Heiß-Verdränger 12 und den Mechatronikabschnitt 20 gekoppelt ist. Details des Mechatronikabschnitts 20 werden in 3 nicht gezeigt. Nimmt man erneut Bezug auf 2, ist zu sehen, wie die Stange zwischen Mechatronik und den Verdränger gekoppelt ist. Analog koppelt eine Stange 17 den Kalt-Verdränger 16 an den Mechatronikabschnitt 20. Man beachte, dass die Stange 17 einen größeren Durchmesser als die Stange 13 aufweist. Die Stange 17 beeinflusst das Volumen, das innerhalb der Kammer 26 enthalten ist, und die Stange 13 beeinflusst das Volumen, das innerhalb der Kammer 24 enthalten ist. Demgegenüber weisen die äußeren Kammern, die Heiß-Kammer 22 und die Kalt-Kammer 28, keine Stange oder ein anderes Element auf, das etwas von dem Volumen der Kammer einnimmt. Die Auswirkungen des Volumens der Stangen 13 und 17 werden in einem p-V-Diagramm aus 4 ersichtlich, das unten besprochen wird. Die Stangedurchmesser werden so ausgewählt, dass sie erwünschte Kräfte auf die Verdränger während des Zyklus bereitstellen, um zumindest einen Bruchteil der elektrischen Energie zu ersetzen, die in dem Mechatronikabschnitt verbraucht wird, um die Verdränger anzutreiben.
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Idealisierte thermodynamische Zyklen für die vier Kammern werden in einem p-V-Diagramm in 4 gezeigt. Im Wesentlichen ergibt sich die Wärmepumpe aus vier Zyklen: Heiß-Kammer-Zyklus 80, Warm-Heiß-Kammer-Zyklus 82, Warm-Kalt-Kammer 84 und Kalt-Kammer 86. Die Volumen in der Kalt- und der Warm-Kalt-Kammer stehen über den Kalt-Verdränger in Beziehung zueinander. Der Grund, dass das Volumen in der Kalt-Kammer von Punkt A zu Punkt B (Zyklus 86) nicht in umgekehrter Beziehung zu dem Volumen in der Warm-Kalt-Kammer von deren Punkt A zu Punkt B steht, liegt an der Stange 292 (gezeigt in 2). Es gibt keine Stange, die die Kalt-Kammer 286 durchläuft. Somit steht das Volumen innerhalb der Kalt-Kammer 286 mit der Position des Kalt-Verdrängers und der Querschnittsfläche des Zylinders in Beziehung, in dem sich der Kalt-Verdränger hin- und herbewegt. Das Volumen innerhalb der Warm-Kalt-Kammer wird jedoch durch die Stange beeinflusst, die ein Volumen in der Mitte der Warm-Kalt-Kammer einnimmt. Somit ist das Verhältnis des Volumens in der Kalt-Kammer an den Punkten A bis B, VA:VB für den Zyklus 86, größer als das Verhältnis des Volumens in der Warm-Kalt-Kammer VB:VA für den Zyklus 84.
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In 5 weist eine Ausführungsform einer Temperaturbarrierekammer 300 eine Kammer 302 auf, die eine Mehrzahl von Geflechten innerhalb der Kammer 302 aufweist. Fluid tritt durch Öffnungen 306, 308 ein und aus. In einer alternativen Ausführungsform, die in 6 gezeigt wird, umfasst eine Temperaturbarrierekammer 310 eine Mehrzahl von engen Kanälen 316, die in Einmündungen 314 im Zylinder 312 eingesetzt sind. Um eine Wärmeübertragung zwischen den Kanälen 316 und dem Zylinder 312 zu minimieren, wird in einigen Ausführungen eine wärmeisolierende Beschichtung 320 auf den Außenflächen der Kanäle 316 und/oder eine wärmeisolierende Beschichtung 318 auf die Innenfläche der Einmündungen 314 aufgebracht. In 7 umfasst eine Alternative für eine Temperaturbarriere 330 ein Rohr 332 mit einem darin angeordneten frei schwebenden Kolben 334. Der Kolben pendelt als Reaktion auf Druckschwankungen, die den Fluss durch die Temperaturbarriere 330 fördern, zwischen Anschlägen 326 an einem Ende und Anschlägen 328 am anderen Ende. Eine wärmeisolierende Beschichtung 340 ist auf der inneren Oberfläche des Rohrs 332 vorgesehen.
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Unter Bezugnahme auf 3 ist, wenn sich der Verdränger 12 bewegt, der Großteil des Flusses zwischen der Heiß-Kammer 22 und der Warm-Heiß-Kammer 24. Wenn sich der Verdränger 16 bewegt, ist analog der Großteil des Flusses zwischen der Kalt-Kammer 28 und der Warm-Kalt-Kammer 26. Bei beiden Bewegungen gibt es einen mäßigen Fluss zwischen der Warm-Kalt-Kammer 26 und der Warm-Heiß-Kammer 24 aufgrund der Tatsache, dass sich der Druck in der gesamten Wärmepumpe verändert, wie in 4 zu sehen ist. Die Massen in den Kammern passen sich als Reaktion auf die Druckveränderungen an. Die Temperaturbarrierekammer 44, die zwischen der Warm-Heiß-Kammer 24 und der Warm-Kalt-Kammer 26 befindet, weist eine mäßige Durchflussmenge dort hindurch auf, insbesondere im Vergleich mit dem Heiß-Regenerator 42, in dem das Fluid in der Warm-Heiß-Kammer 24 den Heiß-Regenerator 42 durchläuft, wenn die Wärmepumpe einen Prozess von den Positionen B nach C oder von D nach A durchläuft. In ähnlicher Weise geht ein großer Fluss durch den Kalt-Regenerator 46, wenn die Wärmepumpe einen Prozess von Position A nach B oder C nach D durchläuft. Da der Fluss durch die Temperaturbarrierekammer 44 klein ist, bietet sie Alternativen für die typische Konstruktion eines Regenerators, der für die Regeneratoren 42 und 46 eingesetzt würde, d.h. wie etwa die Temperaturbarrierekammern 300, 310 und 330, wie sie in den 5, 6 bzw. 7 gezeigt werden.
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5 zeigt, dass die Temperaturbarrierekammer 300 den Regeneratoren 42 und 46 aus 3 sehr ähnlich ist. Die Temperaturbarrierekammer 300 könnte alternativ als ein Warm-Regenerator bezeichnet werden. Die 6 und 7 sind, wie oben beschrieben, Alternativen, die auch die Funktion des Verhinderns einer Wärmeübertragung zwischen der Warm-Heiß-Kammer 24 und der Warm-Kalt-Kammer 26 erfüllen. Indem eine solche Wärmeübertragung verhindert wird, ist es möglich, eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Kammern aufrechtzuerhalten.
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8 zeigt einen Aufbau der Wärmepumpe 10, die an externe Wärmetauscher 60 und 62 gekoppelt ist. Die Leitung 54, die aus dem Warm-Heiß-Wärmetauscher 34 austritt, ist ein Einlass in den Wärmetauscher 60, der eine Heißwasserheizung oder in Fluidverbindung mit einer Heißwasserheizung sein könnte. Fluid kehrt aus dem Wärmetauscher 60 durch die Leitung 55 zum Warm-Heiß-Wärmetauscher 34 zurück, der sich innerhalb der Wärmepumpe 10 befindet. In ähnlicher Weise ist die Leitung 56, die aus dem Warm-Kalt-Wärmetauscher 36 austritt, ein Einlass in den Wärmetauscher 62. Fluid kehrt aus dem Wärmetauscher 62 durch die Leitung 57 zum Warm-Kalt-Wärmetauscher 36 zurück. Der Wärmetauscher 62 kann zur Raumheizung verwendet werden. Er könnte ein Fußbodenheizungssystem, ein wasserbasiertes System, das Heizkörper verwendet, und ein Luftumwälzungssystem sein. Heißwasserheizungen arbeiten typischerweise bei einer höheren Temperatur als eine Raumheizung; somit nimmt die Heißwasserheizung das Fluid mit höherer Temperatur aus dem Warm-Heiß-Wärmetauscher 36 auf. In 8 wird ebenfalls ein Umgebungswärmetauscher 70 gezeigt, der sich in der Umgebung befindet, d.h. außerhalb des Wohnhauses oder des Gebäudes, in dem die Wärmepumpe 10 installiert ist. Der Umgebungswärmetauscher 70 extrahiert Energie aus der Umgebung und stellt dieser der Wärmepumpe 10 bereit, um deren Effizienz gegenüber herkömmlichen Heizsystemen zu verbessern. Pumpen, die zum Bewirken einer Zirkulation von Flüssigkeiten durch die Wärmetauscher vorgesehen werden, werden in den 8 - 10 nicht dargestellt.
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In 9 nehmen der Wärmetauscher 60 zur Heißwasserheizung und der Wärmetauscher 62 zur Raumheizung einen Fluss von der Leitung 54 auf, d.h. vom Auslass von dem Warm-Heiß-Wärmetauscher 34. Ein Ventil 64 leitet den Fluss zum Wärmetauscher 60, zum Wärmetauscher 62 oder zu irgendeiner Kombination aus den Wärmetauschern 60 und 62, d.h. sie leitet mehr oder weniger von dem Fluss in Abhängigkeit vom Bedarf an heißem Wasser und für die Raumheizung. Das Ventil 64 kann ein Dreiwegeventil, ein Zweiwegeventil und/oder ein variables Ventil sein. Der Auslassfluss von den Wärmetauschern 60 und 62 wird zur Leitung 57 geleitet, die an den Warm-Kalt-Wärmetauscher 36 gekoppelt ist. Wie in 9 gezeigt wird, sind die Leitungen 55 und 56 über eine Leitung 66 miteinander gekoppelt, so dass der Warm-Kalt-Wärmetauscher 36 und der Warm-Heiß-Wärmetauscher 34 direkt fluidgekoppelt sind. Ein solcher Wärmepumpenaufbau, wie er in 9 gezeigt wird, liefert eine hohe Effizienz.
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In 10 sind, wie in 9, der warme Warm-Kalt-Wärmetauscher 36 und der Warm-Heiß-Wärmetauscher 34 direkt miteinander durch die Verbindungsleitungen 55 und 56 über die Leitung 66 fluidgekoppelt. Fluid von dem Warm-Heiß-Wärmetauscher 34 wird einem Wärmetauscher 68 zugeführt. Der Fluss von dem Warm-Heiß-Wärmetauscher 34 wird zu einem Ventil 64 geleitet, das den Fluss entweder zu einem Wärmetauscher 60, der für ein Raumheizen sorgt, oder an einen Wärmetauscher 68 leitet, der außerhalb des Gebäudes ist, in dem sich die Wärmepumpe befindet. Die Auslassleitung 59 des Kalt-Wärmetauschers 38 ist mit einem Ventil 74 gekoppelt, das den Fluss selektiv zu einem Wärmetauscher 70 und/oder zu einem Wärmetauscher 72 leitet, der zur Raumkühlung verwendet wird. 10 zeigt einen Aufbau, der die Option von Heiz- und Kühlmodi des Betriebs aufweist. Im Heizmodus leitet das Ventil 64 den Fluss zum Wärmetauscher 60, der zur Raumheizung da ist; und das Ventil 74 leitet den Fluss zum Wärmetauscher 70, der außerhalb des Gebäudes ist, in dem sich die Wärmepumpe 10 befindet. Im Kühlmodus leitet das Ventil 64 vom Warm-Heiß-Wärmetauscher 34 zum Wärmetauscher 68, der sich außerhalb des Gebäudes befindet. Der Wärmetauscher 68 weist in diesem Betriebsmodus Wärme an die Umgebung ab. Im Kühlmodus leitet das Ventil 74 den Fluss an den Wärmetauscher 72, der sich innerhalb des Gebäudes befindet, um mittels jeder geeigneten Methode für eine Raumkühlung zu sorgen.
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11 ist noch eine weitere Alternative, die eine höhere Leistungszahl erbringen kann, als beispielsweise ein System, bei dem der Fluss den Warm-Kalt-Wärmetauscher 36 durch die Leitung 57 zum Ventil 65 hin verlässt, bei dem der Fluss zum Wärmetauscher 60, zum Wärmetauscher 62 oder zu einer Kombination der beiden Wärmetauscher geleitet wird. Der Fluss kehrt zum Warm-Heiß-Wärmetauscher durch die Leitung 54 zurück. Die Auslassleitung 55 von dem Warm-Heiß-Wärmetauscher 34 ist an die Einlassleitung 56 zum Warm-Kalt-Wärmetauscher 36 über die Kopplungsleitung 66 gekoppelt.
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12 ist eine vereinfachte Grafik, die die Wärmepumpe 10 zeigt, die in einem Haus oder einem anderen Gebäude 74 installiert ist, wobei sich zwei Wärmetauscher 68 und 72 in der Umgebung außerhalb des Hauses 74 befinden. Zwei andere Wärmetauscher 60 und 70 befinden sich außerhalb in Bezug zu der Wärmepumpe 10, sind aber innerhalb des Hauses 74. Leitungen, die die Wärmepumpe mit den Wärmetauschern 60, 68, 70 und 72 verbinden, werden um der Deutlichkeit willen nicht dargestellt. Für mehr Details siehe 10.
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Während die beste Art und Weise in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen detailliert beschrieben wurde, werden Fachleute verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche erkennen. Während beschrieben wurde, dass verschiedene Ausführungsformen Vorteile bereitstellen oder gegenüber anderen Ausführungsformen in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Eigenschaften bevorzugt sind, kann, wie der Fachmann weiß, bei einer oder mehreren Eigenschaften ein Kompromiss gemacht werden, um gewünschte Systemattribute zu erreichen, die von der genauen Anwendung und Implementierung abhängig sind. Diese Attribute umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein: Kosten, Festigkeit, Widerstandsfähigkeit, Lebensdauerkosten, Vermarktbarkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Bedienungs- und Wartungsfreundlichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Einfachheit des Zusammenbaus, etc. Diejenigen hier beschriebenen Ausführungsformen, die in Bezug auf eine oder mehr Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik charakterisiert sind, befinden sich nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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