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Die Erfindung betrifft eine Hochspannungszündvorrichtung für einen Einsatz in Kraftwerken, vorzugsweise bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, wobei ein Schutz- und Führungsrohr mit einer Kabelzuleitung für eine Zündelektrode mit einem Steuergerät und einer Hochspannungsquelle verbunden ist.
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Wie hinreichend bekannt, werden bei derartigen Verbrennungssystemen (Festbrennstoffe) hohe Zündtemperaturen benötigt. Aufgrund der begrenzten Reaktionsoberfläche (im Vergleich zu gasförmigen Brennstoffen) und des gestuften Zündverhaltens (z. B. Ablauf: Nachtrocknung, austreiben flüchtiger Bestandteile, Zündung gasförmiger Anteil, Erwärmung Festbrennstoff, Zündung Festbrennstoff) werden außerdem ausreichend große Kontaktvolumen zur Bereitstellung/Übertragung der Zündenergie benötigt. Stand der Technik sind dabei Öl- oder Gasbrenner, welche eine genügend hohe Flammentemperatur und Volumengröße der Flamme erreichen.
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Eine andere bekannte Lösung der Zündenergiebereitstellung ist die Erzeugung eines Plasmas. Solche Brenner bilden ein elektrisch betriebenes Plasma aus, welche erheblich höhere Temperaturen von 2000 bis über 10.000°C erreichen. Aufgrund dieser hohen Temperaturen wird die Zündreaktion deutlich beschleunigt und die Systeme sind auf deutlich geringe räumliche Ausdehnungen der Zündquelle angewiesen. Die hinreichende räumliche Ausrichtung zur Gewährleistung der Energieübertragung an den Festbrennstoff ist Anforderung an die Gestaltung der Plasmaquelle.
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Der Einsatz von spezieller Trockenbraunkohle (TBK) in den neuen Zünd- und Stützbrennern dient dem Kraftwerksbetreiber als Grundlage zur Erhöhung der Kraftwerksflexibilität. Da die TBK in einer kalten Umgebung gezündet werden muss, benötigt der Anfeuerungsprozess mehr Energie. Darum arbeiten in modernisierten Anlagen jetzt mehrere regelbare Brenner mit Plasmazündung. Sie bieten eine thermische Leistung von je ca. 30 MW und ermöglichen es dank ihrer hohen Energiedichte, die Trockenbraunkohle effektiv ohne Gas oder Funken zu zünden. Durch die große Reaktionsoberfläche der vielen winzigen Kohlepartikel lässt sich die TBK zünden und es entsteht ein sehr gutes Brennverhalten.
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Aus der
EP 0 446 238 B1 ist ein flüssigkeitsgekühlter Plasmabrenner mit übertragenem Lichtbogen bekannt, dessen Kühlflüssigkeit, Strom und Gas über koaxialen Rohren bestehende Zünd- und Hauptelektrodenlanzen zur Zünd- und Hauptelektrode geführt werden, wobei ein gemeinsamer Kühlkreislauf für die Zünd- und Hauptelektrodenlanze, die aus drei koaxial zueinander angeordneten Rohren bestehen, wobei die Kühlflüssigkeit in den miteinander verbundenen Ringkanälen zwischen dem Außenrohr und dem Mittelrohr einerseits und zwischen dem Mittelrohr und dem Innenrohr andererseits geführt wird.
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Die
DE 10 2013 017 367 A1 beschreibt eine Brennerlanze und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennerlanze für industrielle Thermoprozesse, aufweisend eine Düse mit jeweils separaten Düsenöffnungen für einen Brennstoff und einen Oxidator, wobei die Brennerlanze eine Aufnahme für eine Zündvorrichtung für ein Gemisch aus Brennstoff und Oxidator aufweist.
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Aus der
DE 10 2012 001 285 B4 ist eine Zündlanze zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen mit einem Lanzenrohr mit Zündelektrode, einem Anschlusskabel zur Verbindung mit einem Zündgerät und einer Anschlussvorrichtung zum Anschließen des Kabels an die Zündelektrode bekannt. Um eine verbesserte Zündlanze bereitzustellen, die dennoch einfach handhabbar und bei den Komponenten austauschbar sind, wird vorgeschlagen, dass die Anschlussvorrichtung abnehmbar vom Lanzenrohr ausgebildet ist.
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Der bekannte Stand der Technik weist dabei folgende Mängel auf:
- • die Herstellung eines stabilen Lichtbogens zwischen den Elektroden führt zur Ausbildung eines in der Längsausdehnung kurzen Lichtbogens,
- • die benötigte Zündenergie für Gas- oder Ölbrenner ist gering, eine Bereitstellung von hoher elektrischer Leistung ist nicht vorgesehen,
- • ein kurzer und stabiler Lichtbogen weist bei hoher elektrischer Leistung eine sehr hohe Materialbelastung für die Elektroden auf, die schnell verglühen und unbrauchbar werden,
- • die Zuführung eines Kühlmediums (flüssigkeitsgekühlt oder hoher Luftstrom) ist aufwendig,
- • die Zündlanzen mittels Hochspannungsfunken sind für die Zündung von Gas- oder Ölbrenners vorgesehen, ein großes Volumen für die Energieübertragung kann durch den entstehenden Hochspannungsfunken nicht bereitgestellt werden.
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Ausgehend von den beschriebenen Nachteilen besteht die Aufgabe der Hochleistungszündvorrichtung in der Bereitstellung einer stabil brennenden Lichtbogensäule, welche einen ausreichend hohen Energieeintrag bei niedriger Materialbelastung, eine kompakte Bauform, keine spezifischen Kühlmedien (erhöhter Luftstrom oder Wasserkühlungen der Elektroden) sowie einen Einsatz bei hohen Umgebungstemperaturen und eine Robustheit gegenüber rauen Umgebungsbedingungen (Partikelbelastung, Wärmestrahlung, Wasser, reaktive Gase) gewährleistet.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, durch die Erzeugung eines dauerhaft wiederzündenden Lichtbogens zwischen zwei achsparallelen Elektroden gemäß den Schutzansprüchen 1 bis 8.
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Der Abstand der Zündelektroden ist dabei hinsichtlich der Aufgabe einer wiederkehrenden Zündung gestaltet. Die Zündung des Lichtbogens erfolgt am geringsten Abstand der Elektroden, also im Bereich der Einziehung (13). Aufgrund des zentralen Luftstroms oder durch Ausrichtung der Elektroden in einer externen Strömung wird der Lichtbogen in Strömungsrichtung abgelenkt. Durch die nachfolgende Vergrößerung des Abstandes der Elektroden wird der Lichtbogen gestreckt und die Fußpunkte des Lichtbogens (an den jeweiligen Elektroden) bewegen sich ebenfalls in Strömungsrichtung mit. Damit wird die punktuelle hohe Materialbelastung der Elektroden (am Fußpunkt) verteilt und zeitlich kurz gehalten. Die vollständige Ablösung des Lichtbogens erfolgt abhängig vom elektrischen Lichtbogenzustand durch erweitertes Dehnen des Bogens am Ende der Elektroden oder bereits davor (durch Steuerung der Luftgeschwindigkeit).
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Die Ausbreitung des Lichtbogens, welche für die Erfindung charakteristisch ist, ist folgendermaßen gekennzeichnet:
- a. Erhöhung des Kontaktbereiches (langer, räumlich gelenkter Lichtbogen)
- b. Auslöschung des Lichtbogens zur Neuzündung und die damit einhergehende Wirkung des erhöhten Energiebedarfs des Lichtbogens, womit ein höherer Energieeintrag in das System erfolgt im Vergleich zu einem fest stehenden kurzen Lichtbogens.
- c. Verteilung der Materialbelastung an den Elektroden
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Die Hochspannungsquelle ist so aufgebaut, dass die Zündspannung ausreichend schnell nach dem Abreißen des Lichtbogens wieder bereitgestellt wird. Sie weist annähernd ein Konstantstromverhalten auf. Dadurch entsteht ein annähernd proportionales Verhalten der thermischen Lichtbogenleistung zur Lichtbogenlänge.
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Die Konstruktion zur Positionierung der stabilen Lichtbogensäule in Verbrennungsanlagen ist als Lanzenkonstruktion gestaltet. Die Leitungsführung ist in einem metallischen Mantelrohr verlegt und endet an der Spitze in einem Keramikkopf. Aufgrund der hohen Spannungsebene von bis zu 30 kV wird die Isolation durch Hochspannungs-Silikonleitungen (unterer Temperaturbereich) oder durch Keramikrohre mit innenliegenden Leitern gewährleistet. Die Leiter werden im Sondenkopf einmal durch ausreichend Abstand bzw. keramische Isolation getrennt geführt und sind an der Spitze mit den charakteristisch geformten Elektroden fest verbunden.
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Zielstellung und Anforderung der Lösungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es, die Bauform möglichst kompakt zu gestalten. Die gesamte Lanzenkonstruktion ist dabei für Sondenkopfdurchmesser von mindesten 40 mm vorgesehen. Die Hochspannungsquelle (HS-Erzeuger) ist über Kabelverbindungen an die Hochspannungszündlanze gekoppelt. Die Hochspannungskabel haben mit ihren Eigenschaften und der Länge direkten Einfluss auf das elektrische System. Die Dimensionierung bzw. elektrische Auslegung der HS-Erzeugereinheit ist daher an die geforderte Dimensionierung der Hochspannungsquelle geknüpft. Bei Änderung des Lanzendesigns muss das elektrische System überprüft werden und gegebenenfalls eine Nachjustierung elektrischer Komponenten oder der Ausgangsfrequenz des Schaltnetzteils vorgenommen werden. Abschätzung der technischen Betriebsdaten der Hochspannungserzeugung:
| Erzeugung: | mit elektronischen Komponenten (Inverter) |
| el. Anschlussleistung: | ca. 0,5 bis zu einigen kVA |
| Lichtbogenleistung: | ca. 0,5 bis zu einigen Kilowatt |
| Zündspannung: | ca. 10 bis 30 kV Wechselspannung |
| LB-Stromstärke: | ca. 1–3 A Wechselstrom |
| Frequenz: | im Bereich 0,5 bis 10 kHz |
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Wesentliche Vorteile der Erfindung:
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- • Erzeugung einer stabilen Lichtbogensäule mittels Hochspannung,
- • Eigenzündung des Lichtbogens durch Überschlag einer Luftstrecke,
- • Betrieb der HS-ZL mit Wechselspannung im Niederfrequenzbereich, wobei auch eine Betrieb mit Gleichspannung möglich ist,
- • gezielte Steuerung der Lichtbogenausbreitung durch Formgebung der Elektroden und der Anströmung mittels Luft, wobei auch andere Medien möglich sind,
- • durch die gezielte Lichtbogenausbreitung wird eine möglichst hohe Energieumsetzung erreicht,
- • Kombination der Elektroden, Isolation und mechanischer Positionierung auf kleinen Raum, zur Realisierung einer Lanzenkonstruktion,
- • flexibler Einsatzbereich der Hochspannungszündvorrichtung hinsichtlich thermischer Randbedingungen (< 500°C) möglich.
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Der geringste Abstand ist am Beginn der Elektroden im Bereich der Einziehung. Der Abstand ist durch den Auslegungspunkt der Zündspannung und der gewünschten Lichtbogenwanderung festzulegen. Die Größenordnung beträgt etwa 8 bis 15 mm.
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Die Dehnung des Lichtbogens ist wiederum eine Ursache des eingestellten Luftstromes, der Länge der Elektroden, des Abstandes im parallelen Verlauf der Elektroden und zusätzlich durch thermische Ausdehnung/Vergrößerung des Bogens. Der Bogenkanal wird sich genau dort entwickeln, wo der Isolationsgrad der Luft am niedrigsten ist, beziehungsweise die Restionisierung durch den Lichtbogen davor noch am größten ist. Dieser Prozess muss durch die Konstruktion und die Strömung gesteuert werden, ansonsten würde der Lichtbogen einfach an einer Stelle brennen und kaum Leistung abgeben. Wenn die Elektroden in ein Rohrelement positioniert sind und dieses Rohr ebenfalls durchströmt wird, dann beeinflusst diese Hüllströmung ebenfalls die räumliche Ausdehnung des Lichtbogens. Damit wird auch verhindert, dass der Lichtbogen in Kontakt mit dem Rohrelement kommt.
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Ausführungsbeispiel
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Nachfolgend soll anhand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigen:
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1 – die Hochspannungszündvorrichtung im Querschnitt von oben
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2 – die Hochspannungszündvorrichtung im Querschnitt von der Seite
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Die Hochspannungszündvorrichtung weist das Schutz- und Führungsrohr 1 auf. In ihm ist die Distanzplatte 2 angeordnet, die von einer konstruktiven Halterung 3 gehalten wird. Im Zentrum des Schutz- und Führungsrohres 1 sind die Hochspannungsleiter 4 angeordnet, die von einem Keramik-Isolationsrohr 5 geschützt werden. Um das Keramik-Isolationsrohr 5 ist ein Hohlraum 6 für die Luftströmung befindlich. Die Hochspannungsleiter 4 sind über Verbindungselemente 7 mit den Elektroden 8 verbunden. Im Bereich dieser Verbindung ist am Stirnumfang des Schutz- und Führungsrohres 1 ein durch Hochtemperatur-Verklebungen 9 aufweisender Keramikzylinder 11 befestigt, der in seinem Endbereich 12 doppelwandig ausgeführt ist.
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Im Anschluss an den Keramikzylinder 11 weisen die Elektroden 8 eine Einziehung 13 auf, der sich nachfolgend eine trichterförmige Erweiterung 14 anschließt, die danach in eine Ausbreitungszone 15 einer zu bildenden Lichtbogensäule übergeht, welche durch die Innenflächen 16 der jeweiligen Zündelektrode 8 mit einem achsparallelen Abstand begrenzt ist.
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Es soll zur Zündung von Verbrennungsprozessen ein zwischen zwei Elektroden erzeugte Lichtbogensäule zur Anwendung kommen. Zum Zünden des Lichtbogens ist eine hohe Spannung erforderlich, welche durch eine geeignete Hochspannungsquelle erzeugt werden soll. Im hier beschriebenen Fall kommt ein Schaltnetzteil mit Leistungshalbleitern zur Anwendung.
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1. Randbedingungen:
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Phase 1: Leerlaufphase
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Zum Zünden der Lichtbogensäule wird eine hohe Spannung bei hoher Impedanz benötigt.
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Phase 2: Zündphase
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Nach dem Zünden des Lichtbogens sinkt die Impedanz auf Grund des geringen elektrischen Widerstandes und der zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens kleineren Spannung stark ab.
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Phase 3: Brennphase
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Durch eine besondere Formgebung der Elektrodenführung und Anströmen des Lichtbogens mit Verbrennungsluft wird eine Verlängerung des Lichtbogens und damit eine Vergrößerung der thermischen Leistung der Lichtbogensäule erreicht. Der Lichtbogen wird soweit gedehnt bis er abreißt. Die Hochspannungsquelle arbeitet dabei als Konstantstromquelle. Nach dem Abriss beginnt wieder Phase 1. Es stellt sich ein Kreisprozess ein.
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2. Hochspannungsquelle:
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Die Hochspannungsquelle besteht aus einem Schaltnetzteil, welches mit konstanter Frequenz bei einigen kHz arbeitet. Die Ausgangsspannung wird symmetrisch über zwei Transformatoren ausgekoppelt. Die Ausgangstransformatoren sind so dimensioniert, dass die in der Brennphase 3 erforderliche Spannung und der Strom bereitgestellt werden. Der Ausgangsstrom ist durch dessen Konstruktion begrenzt und damit dauerhaft kurzschlussfest. Die in der Phase 1 benötigte Leerlaufspannung wird so noch nicht erreicht. Erst durch das Zusammenwirken der Hochspannungsquelle mit den angeschlossenen Hochspannungs-Kabeln wird diese erreicht. Dabei wirken die Kapazitäten der Kabel einschließlich der Lanze und die Ausgangsinduktivitäten der Transformatoren als Schwingkreis. Die Frequenz des Ausgangsschwingkreises liegt beim mehrfachen der des Schaltnetzteils. Durch die gezielte Abstimmung beider Frequenzen aufeinander kommt es zur Resonanz. Es entsteht eine Resonanzüberhöhung der Spannung. Die Frequenz der Ausgangspannung beträgt demnach ein Mehrfaches der Frequenz des Betriebes in den Phasen 2 und 3, im Anwendungsfall ca. 20 kV.
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3. Wirkung
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Ein Schaltnetzteil erzeugt über zwei Transformatoren zwei gleichgroße Ausgangsspannungen, die so miteinander verschaltet sind, dass diese sich addieren und am gemeinsamen Verbindungspunkt auf Erdpotenzial liegen. Die Ausgangsspannung wird über geschirmte Hochspannungskabel zu den Elektroden abgeleitet. Um die geforderte Hochspannung, in unserem Fall ca. 2 × 10 kV Wechselspannung, zu erzeugen, benötigt man bei einer gegebenen Zwischenkreis-Gleichspannung von 500 V im Normalfall Übersetzungsverhältnisse der Trafos von ca. 1:28. Durch das Zusammenwirken der Kapazitäten der Hochspannungskabel, diese wirken wie Kondensatoren, und den Induktivitäten der Ausgangsspulen der Transformatoren entstehen Schwingkreise. Bei geeigneter Abstimmung der Eigenfrequenz dieser Schwingkreise mit der Frequenz der treibenden Primärspannung entsteht eine Spannungsüberhöhung auf den Sekundärseiten der beiden Trafos. Bei exakter Abstimmung aufeinander könnte die Spannung auf derartig hohe Werte ansteigen, dass im Leerlauf die Selbstzerstörung die Folge ist. Hierbei ist es möglich, ungeradzahlige Vielfache der Frequenzen aufeinander abzustimmen. Wobei mit höheren vielfachen der Grad der Spannungsüberhöhung abnimmt. Es hat sich gezeigt, dass die Frequenz der Ausgangskreise auf die 3. oder 5. Harmonische der Frequenz der Schaltnetzteils abgestimmt werden sollte, wobei eine geringe Abweichung von der idealen Abstimmung aufeinander vorgenommen werden muss. Man kann darüber die maximale Ausgangsspannung direkt festlegen. Im Versuchsmuster wurde ein Spannungsfaktor von ca. 4 eingestellt. Unter Lastbedingung, also mit Lichtbogenstrom, verschwindet die Resonanzüberhöhung und es wirkt nur noch die Primärfrequenz. Durch die Ausnutzung des genannten Effektes kann nun das Wicklungsübersetzungsverhältnis deutlich kleiner ausfallen. In der konkreten Musteranwendung ist es nur noch 1:7 statt wie oben erwähnt 1:28. Die erforderliche Dimensionierung der Schaltnetzteils wird bei vergleichbarem Ausgangstrom deutlich kleiner. Im konkreten Fall beträgt die Primärfrequenz 6 kHz und die Ausgangsfrequenz im Leerlauf ca. 18 kHz. Es wurde auch eine Versuchsanordnung mit 3,2 kHz erfolgreich getestet. Grundsätzlich können auch andere Frequenzen und Spannungen Verwendung finden.
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Das hier beschriebene Schaltnetzteil bietet durch seine besondere Konstruktion weiterhin den Vorteil, dass es mit Kurzschluss am Ausgang betrieben werden kann. Es erfolgt kein elektronisches Abregeln, sondern der Ausgangsstrom ist auf einen festgelegten Wert konstruktionsbedingt begrenzt. Die sich daraus ergebene Impedanz bewirkt, dass der Ausgangsstrom unter Last in einem weiten Bereich (Lichtbogen) nahezu konstant ist. Das bedeutet, dass die Lichtbogenlänge entscheidend für die abgegebene Wärmeleistung ist, denn die anliegende Spannung ist direkt proportional der Lichtbogenlänge.
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4. Vorteile gegenüber konventionellen Hochspannungserzeugern
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Der entscheidende Vorteil der beschrieben Anordnung liegt darin, dass bei Einhaltung der erforderlichen elektrischen Parameter, die elektrische Leistung der Hochspannungsquelle sich an die thermische Leistung des Lichtbogens orientiert. Im vorliegenden praktischen Anwendungsfall beträgt diese ca. 1,5. kW. Würde man die erforderliche Spannung und dem notwendigen Lichtbogenstrom mit einem Netztransformator erzeugen, so müsste dieser mit 30 kVA dimensioniert werden. Zur Strombegrenzung ist dann ein erheblicher gerätetechnischer Aufwand notwendig. Durch den Einsatz eines elektronischen Schaltnetzteils – wie beschrieben – reduzieren sich die Kosten gegenüber eines Aufbaus von mit Netzfrequenz betriebenen Komponenten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0446238 B1 [0005]
- DE 102013017367 A1 [0006]
- DE 102012001285 B4 [0007]
