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TECHNISCHER BEREICH
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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein gedrucktes, elektrotechnisches Produkt. Konkret handelt es sich um eine geregelte, gedruckte Heizung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Schutzansprüche.
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Der allgemeine, technische Bereich kann mit „gedruckten, elektrotechnischen Produkten” umrissen werden. Die Anmelderin ist seit längerem in diesem Bereich tätig und hat grundlegende Konzepte, Maßnahmen, Produkte und Merkmale in den Anmeldungen
WO 2014 019 560 A1 ,
WO 2016 134 706 A1 ,
WO 2016 134 705 A1 ,
WO 2014 134 704 A1 und
WO 2016 134 703 A1 beschrieben, die hiermit zusammen mit den darin recherchierten und zitierten Dokumenten als technischer Hintergrund und Basis möglicher, vorteilhafter Fortbildungen des vorliegend Beanspruchten benannt sind. 'Gedruckt' bezeichnet dabei eine durch übliche Maßnahmen der Druckverfahren wie Siebdruck, Laserdruck, Offset-Druck oder Airbrush-Verfahren auf einen Träger aufgebrachte, flächig erstreckte Schichten.
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BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
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Im relevanten Bereich der flächigen Heizelemente mit Regelung kann veranschaulichend die
DE 1 515 020 B genannt werden; dieses Dokument schlägt eine flächige Heizschicht vor, welche einen elektrischen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten – im technischen Bereich auch mit 'ptc' abgekürzt – aufweist. Dadurch verringert sich die thermoelektrische Leistung und geht gegen einen Grenzwert. Nachteilig ist hierbei, dass die besagte Grenztemperatur physikalisch in der Heizschicht selbst durch die Zusammensetzung eingeregelt ist und nicht mehr an verschiedene Nutzungsszenarien angepasst werden kann. Weiterhin nachteilig ist, dass PTC-Verbund-Materialien, wie sie zum Beispiel in der
DE 24 59 664 B2 oder der
DE 7 325 889 U1 angedacht sind, häufig in einer Kunststoffmatrix toxische und/oder problematische, organische Verbindungen wie Phenole, Imide oder Benzole enthalten. Zudem können solche organischen Matrices bei thermischer Zersetzung krebserregende, polyannelierte Kohlenwasserstoffe erzeugen. Auch organische Flammschutzmittel, welche aromatische Kohlenwasserstoffe umfassen, wie sie in der
DE 37 07 504 A1 als Teil einer PTC-Mischung vorgeschlagen werden, können nachteilige, spezielle Maßnahmen bei der abschließenden Entsorgung notwendig machen. Auch anorganische, toxische Schwermetalle wie Blei, Beryllium, Cadmium oder Indium, wie sie von der
DE 27 43 880 C3 für einen Wasserkocher mit 50 Watt pro Quadratzentimeter Heizleistung vorgesehen sind, stellen ein Problem dar: Solche Metalle machen präzise Verkapselungen und spezielle Entsorgungsmaßnahmen notwendig, um eine Vergiftung von Verbraucher und/oder Umwelt sicher ausschließen zu können. Weiterhin können Allergene wie zum Beispiel Nickel, welches beispielsweise als Elektroden-Folien-Material in der
DE 37 07 494 C2 verwendet wird, gleichsinnige Nachteile einbringen. Die
DE 2 151 626 A1 schlägt dem gegenüber einen starren Kunststoff-Partikel-Verbundwerkstoff vor, welcher in Plattenform als Heizung dienen soll. Nachteilig ist bei diesen Systemen, dass der starre Plattenkörper Risse ausbilden kann, welche den Stromfluss behindern und punktuell eine extreme Hitzelast/eine überhöhte Temperatur und einen elektrischen Schmorbrand bewirken können.
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Gattungsgemäße Heizungen sind gedruckt – also flächig auf einem Träger in dünner Schicht aufgebracht und getrocknet – und geregelt. Eine Regelung bezeichnet hierbei einen Regelkreis, welcher in Abhängigkeit eines Regelparameters – hier die Temperatur – die Leistung direkt – oder auch indirekt über einen weiteren – Parameter anpasst.
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Druckbare Heizpasten, welche als geregeltes Heizelement fungieren können, sind bei den etablierten Systemen ptc-Systeme. So offenbart die
EP 0 918 339 A2 verschiedene PTC-Tinten, welche durch teilkristalline Polymere mit unstetem, thermischem Expansionsverhalten eine verbesserte Schaltcharakteristik bei Grenztemperaturen aufweisen. Gleichsinnig offenbart die
JP 00 2008 103 233 A gedruckte, polymere Widerstands-Abschnitte, welche über ein komplexes Elektroden-Gitter mit thermoplastischen Übergängen thermisch verschiedene Expansionen von Elektroden- und Träger-Material kompensieren und Zieltemperaturen bereitstellen können.
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Regelkreise sehen häufig Thermoschalter in Kombination mit Lastreglern oder Operationsverstärkern vor. So schlägt die
DE 203 03 714 U1 vor, mit einer ntc-Abdeckung einer flexiblen Heizfläche einen Schaltstrom bereitzustellen, welcher bei einer lokalen Überhitzung, in diesem Bereich auch als „hot spot” bezeichnet, durch Grenzwertüberschreitung eine Leistungsregelung auf null setzt, um einen Brand sicher im Vorfeld zu vermeiden. Nachteilig muss bei diesem Konzept die gesamte, beheizte Fläche von der Kontroll-Elektrode abgedeckt werden. Gleichsinnig schlägt die
DE 30 08 436 A1 für eine Lüfterheizung vor, eine Zusatzheizung und einen Lüftermotor in Abhängigkeit der gemessenen Wärmelast im Luftstrom zu regeln. Nachteilig ist hierbei, dass ein Lüfter großvolumig ist und eine solche Regelschaltung für die Einspeisung und Ausgabe eines Wärmespeichers nicht direkt auf eine Flächenheizung übertragbar ist.
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Weiterhin ist nachteilig, dass bei vielen Regelschaltungen eine Überlast oder nicht benötigte Leistung über einen Widerstand verbraucht wird. Dadurch wird unnötig Strom verbraucht und die Regelschaltung wird sich im Bereich des Lastwiderstandes erwärmen, was schnelleren Verschleiß zur Folge hat.
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Nachteilig ist weiterhin bei den gattungsgemäßen sowie etablierten Konzepten, dass die ptc-Heizelemente allesamt mit bedenklichen und/oder risikoreichen sowie umweltgefährlichen Materialen wie Phenol-Harzen, Blei, Cadmium oder Nickel arbeiten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine gedruckte, geregelte Heizung bereitzustellen, welche trotz kompakter Bauweise und niedrigem Stromverbrauch eine flexible und einfach in Schichtsysteme integrierbare und in der Leistung anpassbare Heizung bereitzustellen vermag.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Erfindungsgemäß ist die gedruckte, geregelte Heizung, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine 0,1 bis 500 Mikrometer dicke Schicht auf einem flexiblen Träger flächig erstreckt angeordnet ist, wobei die Schicht in den Hauptbestandteilen, bevorzugt zu mindestens 90%, aus anorganischen Verbindungen, Rest Stell- und Hilfsstoffe, besteht, die Schicht keine toxischen Schwermetalle umfassend Blei, Cadmium und Nickel, enthält, die Schicht mindestens über zwei Kontakt-Elektroden mit einer an eine Stromquelle anschließbaren Regelbaugruppe verbunden ist, die Regelbaugruppe mindestens einen regelbaren Widerstand aufweist, die Regelbaugruppe mindestens zwei Temperatursonden aufweist, wobei wiederum die Temperatursonden mit gleichmäßigem Abstand zu Elektroden und zu einander mit thermischem Kontakt zur flächig erstreckten Schicht angeordnet sind
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG UND VORTEILHAFTER MERKMALE
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Bei der erfindungsgemäßen, gedruckten, geregelten Heizung ist eine 0,1 bis 500 Mikrometer dicke Schicht auf einem flexiblen Träger flächig erstreckt angeordnet. Die Schicht wurde als wässrige Paste auf den Träger aufgebracht und bei Raumtemperatur getrocknet. Dabei besteht die Schicht in ihren Bestandteilen vorteilhaft zu mindestens 90% aus anorganischen Verbindungen, Rest Stell- und Hilfsstoffe. Stell- und Hilfs-Stoffe sind übliche Zusätze und Hilfsmittel, mit denen das Fließverhalten, die Benetzungseigenschaften, die Leitfähgkeit, der pH-Wert oder auch die Aushärtungsgeschwindigkeit an den jeweiligen Träger angepasst werden können. Die Schicht enthält keine toxischen Schwermetalle, insbesondere enthält die Schicht kein Blei, Cadmium und Nickel. Die Ausgangssubstanzen sind alle technisch rein und Allergene sowie Toxine können allenfalls in humanphyiologisch nicht relevanter Menge als Spur – also im Promillbereich oder deutlich darunter – vorhanden sein. Wesentlich ist, dass die Heizung direkt gehandhabt werden kann, ohne dass eine allergische Reaktion oder eine Gefährdung der Umwelt möglich ist. In aller Regel ist das gegeben, wenn die entsprechenden Metalle mit üblichen Analysemethoden, welche bis in den Promill-Bereich exakt sind, nicht mehr nachgewiesen werden können. Die Schicht ist mindestens über zwei Kontakt-Elektroden mit einer an eine Stromquelle anschließbaren Regelbaugruppe verbunden. Eine Regelbaugruppe regelt die Leistung in Abhängigkeit eines veränderlichen Parameters. Somit wird vorliegend die Leistung der Heizung in Abhängigkeit eines leistungsbezogenen Werts kontinuierlich angepasst. Weiterhin weist die Regelbaugruppe mindestens einen regelbaren Widerstand auf. Ein regelbarer Widerstand erlaubt das Einstellen eines Grenzwerts, welcher die maximale Leistung und/oder Maximaltemperatur und/oder Schaltgeschwindigkeit der Regelung einzustellen vermag. Dadurch wird die Heizung an variierende Zieltemperaturen/schwankende Flächenwiderstände oder auch unterschiedlich gute Stromquellen anpassbar. Die Regelbaugruppe weist mindestens zwei Temperatursonden auf. Die Temperatursonden sind mit gleichmäßigem Abstand zu Elektroden und zu einander mit thermischem Kontakt zur flächig erstreckten Schicht angeordnet. Dadurch wird eine Regelung ermöglicht, welche auch bei lokalem Aufheizen/Hot-Spot-Problematik nahe einer Sonde die Leistung absenkt oder ganz unterbricht. Bei großflächigen Anwendungen kann die Anzahl der Sonden erhöht werden oder es wird vorteilhaft die Wärmeleitfähigkeit durch wärmeleitende Einbett-Pasten gesteigert, um mit jeder Sonde eine verbessert größere Fläche der Heizung zur Regelung heranziehen zu können.
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Bevorzugt weist die Regelbaugruppe einen Wechselstromanschluss für Heimstromnetze auf. Netzteile und komplexe Umspanner sind regelmäßig umweltproblematisch und bedürfen gesonderter Entsorgung. Die vorliegend entwickelte Regelbaugruppe macht hier ein einfach und direkt verwendbares Produkt zugänglich, das durch eine breit verwendbare Wechselstromlastanpassung – beispielsweise per Phasenanschnittssteuerung, Pulsmodulation oder per getakteter Impuls-Zuschaltung und Impuls-Abschaltung im Sinne einer Lauflichtschaltung – vorteilhaft nicht mehr auf ein spezielles Netzteil angewiesen ist. Besonders Bevorzugt weist die Regelbaugruppe eine Phasenanschnittssteuerung auf. Eine Phasenanschnittssteuerung kann ein Wechselstromsignal anteilig in Abhängigkeit einer Stellgröße auf einen Verbraucher auflegen. Zusätzlicher Vorteil hierbei ist, dass die Abwärme und der elektrotechnische Verlust bei solchen Steuerungen deutlich geringer ausfallen, als dies mit einfachen Wechselschaltungen gelingen kann, welche nicht benötigte Leistung häuig nachteilig über einen Lastwiderstand blind und ohne Mehrwert verbrauchen.
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Bevorzugt weist die Regelbaugruppe resistive und kapazitive Elemente, bevorzugt linearisierende RC-Glieder, besonders bevorzugt RC-Module mit einer Mehrzahl an RC-Gliedern, auf.
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Bevorzugt weist die Regelbaugruppe als Temperatursonde mindestens einen NTC-Widerstand, bevorzugt ausschließlich NTC-Widerstände, auf.
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Bevorzugt umfasst der regelbare Widerstand mindestens einen programmierbaren Widerstand. Ein programmierbarer Widerstand ermöglicht besonders wirksam eine Anpassung der Regelbaugruppe an verschiedene Heizungsgrößen im Rahmen einer individuellen Kalibrierung.
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Bevorzugt umfasst die Regelbaugruppe mindestens eine Regelschaltung, welche mit den Temperatursonden verbunden und dahingehend ausgebildet ist, dass bei starker Abweichung mindestens einer Temperatursonde ein Unterbrechungssignal ausgebbar ist. Besonders bei großflächigen Heizungen mit einer Vielzahl an Sonden erlaubt eine Differenz-Auswertung der Sonden untereinander das frühzeitige Erkennen einer Hot-Spot-Problematik. Bevorzugt umfasst die Regelbaugruppe ergänzend eine Analyse-Schaltung, in welcher einstellbare Soll-Werte mit Ist-Werten vergleichbar und die Differenz mit einem Unterbrechungssignal-Regelkreis gekoppelt ist. So aufgebaute Heizungen können lokale Defekte/lokale Überlast frühzeitig erkennen, den Strom passend senken und per Alarmsignal eine Wartung/einen Austausch veranlassen.
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Bevorzugt ist der Träger ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus mit Schicht infiltriertem Gewebe, Verbundwerkstoff, Kunststoff-Mineral-Verbundwerkstoff, Papier, Vlies, Glasfaser-Vlies, Glasfaser-verstärktem Kunststoff, Glasfaser-verstärktem Thermoplast, Metallfolie, Faser-Träger.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen. Es versteht sich, dass die vorbeschriebenen, bevorzugten Merkmale, Vorteile und nachfolgenden Ausführungsbeispiele nicht beschränkend aufzufassen sind. Vorteilhafte oder bevorzugte, zusätzliche Merkmale und zusätzliche Merkmalskombinationen, wie sie in der Beschreibung erläutert sind, können im Rahmen der unabhängigen Ansprüche im beanspruchten Gegenstand sowohl einzeln als auch abweichend kombiniert verwirklicht werden, ohne dass der Bereich der Erfindung verlassen würde.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die Figuren veranschaulichen an Hand von Prinzipskizzen ...
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1 Schaltprinzip einer vorteilhaften Ausführungsform
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DETAILLIERTE ERLÄUTERUNG DER ERFINDUNG AN HAND VON AUSFÜHRUNGBEISPIELEN
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Wie 1 veranschaulicht kann eine erfindungsgemäße Ausführungsform in vorteilhafter Fortbildung eine zu mindestens 90% anorganische Schicht HT auf flexiblem Faserträger ohne Schwermetallzusätze umfassen, die in angeschlossener Regelbaugruppe Steuermodule CRRC, RRRC, RRr und C sowie eine Phasenanschnittssteuerung mit Wechselstromtriode TriAc und Zweirichtungsdiode DIAc aufweist und im Steuermodul RRr einen regelbaren Widerstand aufweist. Die Regelung ist mit mindestens zwei regelnden Heißleiter-Temperatursonden RntcRntc gekoppelt. Das hier veranschaulichte Schaltprinzip kann auf einer 2 × 4 Zentimeter großen Platine mit einem Gesamtgewicht von weniger als 4 g (exklusive der Temperatursonden) realisiert werden. Vorteilhaft werden die ntc-Temperatursonden über Steckkontakte mit der Platine verbunden und im thermischen Kontakt mit der Heizfläche auf der Heizung HT rückseitig/außerhalb der Nutzfläche fixiert. In weiterer, vorteilhafter Ausführungsform konnte mit einem solchen Print eine (20 × 20) cm2 große Fläche einer auf einen Faserträger gedruckten Heizung eine Oberflächentemperatur von 70 +– 10°C dauerhaft eingestellt werden; die maximale Augenblicksleistung betrug dabei 80 Watt. Deutlich höhere Temperaturen führten zu Lastspitzen von 16 Kilowatt und mehr; diese waren für die hauptsächlich aus Kohlenstoffmodifikationen und Metallsilikaten und Glasphasen zusammengesetzte Schicht potentiell kein Problem, führten aber regelmäßig zum Auslösen der Sicherung und/oder zur thermischen Schädigung bei Papierträgern und Folienträgern. Solche Hochleistungsapplikationen wären somit möglich, sehen dann aber vorteilhaft einen passend gesicherten Stromkreis und verbessert temperaturbeständige Träger vor. Das hier getestete Design ist bevorzugt für die Heimanwendung vorgesehen und wurde entsprechend mit der Zieltemperatur 70 +– 10°C einem Dauertest unterzogen. Die Zieltemperatur war vorteilhaft über ergänzende, regelbare Widerstände im Bereich 30°C bis 100°C einstellbar. Die Phasenanschnittssteuerung passte die Leistung in Abhängigkeit des Widerstands der beiden ntc-Sonden an, wobei die Regelbaugruppe keine messbare Erwärmung zeigte. Dies spricht für eine hoch effiziente Regelung mit geringer Blindleistung, die sich thermisch so gut wie nicht bemerkbar macht. Eine sichere und an jeweilige Kenngrößen und spezifischen Bedarf anpassbare Regelung konnte so bereitgestellt werden. Besonders bevorzugt eignet sich solch eine geregelte, gedruckte Heizung als Warmhalteplatte, welche auf verschiedene Nahrungsmittel/Temperaturen einstellbar ist.
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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Gedruckte, geregelte Heizungen enthalten häufig Schwermetalle und/oder organische Verbindungen und Polymere, welche bei Überlast als Gifte freigesetzt werden können; eine Regelung erfolgt etablierter Weise mit Kaltleiter-Zusätzen, die jedoch die Heizung auf eine feste Arbeitstemperatur physikalisch einregeln. Aufgabe ist, eine anpassbare und umweltfreundliche, gedruckte, geregelte Heizung bereitzustellen. Als Lösung wird mindestens eine zu mindestens 90% anorganische Schicht HT auf flexiblem Faserträger ohne Schwermetallzusätze vorgeschlagen, die in angeschlossener Regelbaugruppe Steuermodule CRRC, RRRC, RRr und C sowie eine Phasenanschnittssteuerung mit Wechselstromtriode TriAc und Zweirichtungsdiode DIAc aufweist und im Steuermodul RRr einen regelbaren Widerstand aufweist. Die Regelung ist mit mindestens zwei regelnden Heißleiter-Temperatursonden RntcRntc gekoppelt. Flächig erstreckte, günstige Wärmequellen können so auch bei schwankenden Widerstandswerten innerhalb einer Produktserie über den regelbaren Widerstand an jeweils verschiedene Nutzungsszenarien und Zieltemperaturen angepasst werden; die ntc-Temperatursonden erlauben eine stete, temperaturgeregelte Leistungsabgabe, welche einen über den regelbaren Widerstand festlegbaren Maximalwert nicht überschreiten kann. Vorteilhaft verbesserte Warmhalteplatten können so bereitgestellt werden.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- HT
- – Schicht auf flexiblem Faser-Träger
- CRRC
- – erstes Steuermodul
- TriAc
- – Wechselstromtriode
- DIAc
- – Zweirichtungsdiode
- RRRC
- – zweites Steuermodul
- RntcRntc
- – ntc Temperatursonden
- RRr
- – drittes Steuermodul umfassend regelbaren Widerstand
- C
- – viertes Steuermodul
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014019560 A1 [0002]
- WO 2016134706 A1 [0002]
- WO 2016134705 A1 [0002]
- WO 2014134704 A1 [0002]
- WO 2016134703 A1 [0002]
- DE 1515020 B [0003]
- DE 2459664 B2 [0003]
- DE 7325889 U1 [0003]
- DE 3707504 A1 [0003]
- DE 2743880 C3 [0003]
- DE 3707494 C2 [0003]
- DE 2151626 A1 [0003]
- EP 0918339 A2 [0005]
- JP 002008103233 A [0005]
- DE 20303714 U1 [0006]
- DE 3008436 A1 [0006]
