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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Pyrolyseofen, insbesondere einen Kleinpyrolyseofen, zum Herstellen von Kohle aus einem biogenen (fossilen) Brennstoff, der während des Pyrolysevorgangs als Kochstelle genutzt wird.
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Stand der Technik
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Die weltweit meistgenutzte Kochstelle ist die mit Brennholz betriebene 3-Steine-Kochstelle, bei der das Kochgefäß auf drei Steinen über einer offenen Flamme erhitzt wird. Beim Kochen mit der 3-Steine-Kochstelle entstehen toxische Rauchgase, die für die Benutzer eine starke gesundheitliche Belastung darstellen. Durch das offene Feuer besteht auch eine hohe Verbrennungsgefahr.
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Darüber hinaus ist der Wirkungsgrad der 3-Steine-Kochstelle gering, was zu einem hohen Brennstoffeinsatz führt. Somit werden natürliche Ressourcen wie Forst-und Buschflächen in den entsprechenden Gebieten stark reduziert. Dies wiederrum führt zu einer Reduzierung von fruchtbaren Böden, wodurch sich die Ernährungssituation vieler Menschen in den entsprechenden Regionen verschlechtert.
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Kleinpyrolyseöfen, auch „Gasifier“ genannt, stellen eine effiziente Alternative zur herkömmlichen 3-Steine-Kochstelle dar. Neben einem verbesserten Wirkungsgrad zeichnen sie sich insbesondere durch eine fast rauchfreie Verbrennung aus, z.B. durch ein Kaminsystem, durch das Rauchgase abgeführt werden, wodurch sie weniger schädlichen Einfluss auf den Benutzer nehmen. Pyrolyseöfen erzeugen aus einem Brennmaterial, beispielsweise Holz, unter Zugabe von Primärluft ein Holzgas, welches sich mit Sekundärluft vermischt und nahezu rauchfrei verbrennt. Während dieser sogenannten Holzvergasungsphase entsteht aus dem Brennmaterial Holzkohle. Weiterhin entsteht Wärme, die beispielsweise zum Kochen genutzt werden kann. Die Holzkohle kann entnommen und erneut genutzt werden, beispielsweise als Brennmaterial oder als Beimengung für die Herstellung eines natürlichen Düngers (natürlicher Dünger).
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In der Regel sind Kleinpyrolyseöfen aus Metall und/oder Keramik gefertigt und weisen getrennte Führungen für Primärluft und Sekundärluft auf. Die Produktion von derartigen Kleinpyrolyseöfen ist jedoch aufwändig und erfordert spezielle Kenntnisse und Erfahrung. Somit sind solche Öfen für viele Haushalte in Entwicklungsländern nicht herstellbar und bezahlbar.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Pyrolyseofen mit verringerter Komplexität bereitzustellen, der sich auf einfache Weise auf Dorfebene mit den örtlich vorhandenen Materialien und Arbeitskräften herstellen, warten und reparieren lässt. Weiterhin wird ein Pyrolyseofen bereitgestellt, der es ermöglicht, die Wärmeenergie, die bei der Holzvergasung entsteht, direkt und effizient zu nutzen.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe wird durch den unabhängigen Schutzanspruch gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf weitere Aspekte der Erfindung.
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Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Pyrolyseofen mit einem unteren Element, einem mittleren Element und einem oberen Element. Das untere Element weist mindestens einen Abstandshalter auf, der ausgestaltet ist, um zwischen dem unteren Element und dem mittleren Element einen Abstand zu erzeugen. Das mittlere Element weist an seiner Unterseite und an seiner Oberseite eine Öffnung auf. Das mittlere Element weist eine Brennkammer und einen Flammenkonzentrator auf. Die Brennkammer weist ein Auflager für einen Brennstoff auf. Weiterhin weist die Brennkammer unterhalb des Auflagers einen regelbaren Einlassstutzen für Primärluft auf. Die Brennkammer ist an ihrer Oberseite offen und weist an einem oberen Teil ihrer Seitenfläche mindestens eine Einlassöffnung auf.
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Die Brennkammer ist im Wesentlichen innerhalb des Flammenkonzentrators angeordnet und der Flammenkonzentrator bedeckt die Oberseite der Brennkammer zumindest teilweise. An seiner Oberseite weist der Flammenkonzentrator eine Öffnung auf, deren Querschnitt kleiner als der Querschnitt der Oberseite der Brennkammer ist. Zwischen der äußeren Seitenfläche der Brennkammer und der inneren Seitenfläche des Flammenkonzentrators besteht ein Spalt, der ausgebildet ist, um Sekundärluft zu den Einlassöffnungen der Brennkammer zu führen. Weiterhin besteht zwischen der äußeren Seitenfläche des Flammenkonzentrators und der inneren Seitenfläche des mittleren Elements ein Spalt, der ausgebildet ist, um Tertiärluft zu der Öffnung des Flammenkonzentrators zu führen. Das obere Element weist mindestens eine Öffnung auf.
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Vorzugsweise wird die Brennkammer durch das untere Element und/oder das mittlere Element gestützt.
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Vorzugsweise wird das untere Element und/oder das mittlere Element und/oder das obere Element aus einem natürlichen Material gefertigt, beispielsweise aus einem armierten Lehm oder Beton. Die Brennkammer und/oder der Flammenkonzentrator sind vorzugsweise aus Metall gefertigt. Besonders bevorzugt sind lokal verfügbare Metalle, beispielsweise aus recyceltem(s) Blech.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Pyrolyseofen vorzugsweise einen Effizienzring auf. Vorzugsweise besteht der Effizienzring aus Metall. Der Effizienzring weist vorzugsweise einen Mechanismus zur Größenanpassung auf. Weiterhin weist der Effizienzring vorzugsweise ein Sichtloch auf.
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Vorzugsweise weist der Pyrolyseofen mindestens einen Halter auf, der ausgebildet ist um ein Kochgefäß zu stützen. Weiterhin vorzugsweise ist die dem Kochgefäß zugewandte Seite des Halters schräg, sodass sich durch Veränderungen seiner Position zu dem Kochgefäß verschiedene Abstände des Kochgefäßes zur Wärmequelle einstellen lassen.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1: Eine schematische Schnittansicht des Pyrolyseofens gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
- 2: Eine schematische Schnittansicht des Pyrolyseofens mit Effizienzring gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung; und
- 3: Eine schematische Schnittansicht des Pyrolyseofens mit Effizienzring und Haltern für ein Kochgefäß gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Pyrolyseofen 1000. Der vorzugsweise modular aufgebaute Pyrolyseofen 1000 weist ein Gehäuse 1, 2, 3, mit mindestens einem ersten Lufteinlass für Primärluft 100 (durchgezogene Linie) und mindestens einem zweiten Lufteinlass 11 für Sekundärluft 200 (gestrichelte Linie) und Tertiärluft 300 (gepunktete Linie) im unteren Bereich des Gehäuses, auf. Weiterhin weist das Gehäuse 1, 2, 3 einen Verbrennungsgasauslass 8 an seinem oberen Ende auf. Das Gehäuse 1, 2, 3 umgibt eine nach oben geöffnete Brennkammer 4 mit einem regelbaren Lufteinlass 7, der mit dem ersten Lufteinlass des Gehäuses in Verbindung steht sowie einen Flammenkonzentrator 5, der den oberen Abschnitt der Brennkammer 4 umgibt. Der Lufteinlass 7 der Brennkammer 4 wird vorzugsweise durch einen Einlassstutzen gebildet. Der Einlassstutzen erstreckt sich vorzugsweise radial, d.h. senkrecht zur Längsachse der Brennkammer 4, sodass die Öffnung des Einlassstutzens mindestens eine Seitenwand des Gehäuses 1, 2, 3 penetriert bzw. darüber hinaus ragt.
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Der Flammenkonzentrator 5 umfasst an seiner Oberseite eine Öffnung 51, deren Querschnitt kleiner als der Querschnitt der oberen Öffnung der Brennkammer 4 ist. Zwischen der Außenwand der Brennkammer 4 und der Innenwand des Flammenkonzentrators 5 wird ein Spalt 24 gebildet, durch den Sekundärluft 200 zu Einlassöffnungen 41, die im oberen Abschnitt der Brennkammer 4 vorgesehen sind, geleitet wird. Zwischen der Außenwand des Flammenkonzentrators 5 und der Innenwand des Gehäuses 1, 2, 3 besteht ein Spalt 25, durch den Tertiärluft 300 in den Bereich der oberen Öffnung 51 des Flammenkonzentrators 5 geleitet wird.
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Vorzugsweise weisen das Gehäuse 1, 2, 3 und/oder die Brennkammer 4 und/oder der Flammenkonzentrator 5 eine Zylinderform auf. Besonders bevorzugt ist das Gehäuse 1, 2, 3 koaxial mit der Brennkammer 4 und/oder dem Flammenkonzentrator 5 angeordnet. Der Querschnitt des Gehäuses 1,2,3 und/oder der Brennkammer 4 und/oder des Flammenkonzentrator 5 ist vorzugsweise kreisförmig, elliptisch, rechteckig oder quadratisch.
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Vorzugsweise ist das Gehäuse 1, 2, 3 aus einem natürlichen Material gefertigt, beispielsweise aus Lehm oder Beton. Besonders bevorzugt ist das Gehäuse aus einem armierten Lehm oder Beton gefertigt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Pyrolyseofen 1000 auf dem Gehäuseabschnitt 3 vorzugsweise einen Effizienzring 9 (siehe 2) auf. Der Effizienzring 9 besteht vorzugsweise aus einem lokal verfügbaren Material, beispielsweise aus recyceltem Blech. Der Effizienzring 9 weist vorzugsweise einen Mechanismus zur Größenverstellung auf, durch den sich sein Umfang an den Umfang eines Kochgefäßes anpassen lässt. Das nicht dargestellte Kochgefäß kann auf einer Oberseite des Gehäuses 1, 2, 3 positioniert werden. Weiterhin weist der Effizienzring 9 vorzugsweise eine Öffnung 91 auf, durch die der Benutzer den Verbrennungsprozess beobachten kann, ohne dass hierfür der Pyrolyseofen 1000 geöffnet werden muss.
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Vorzugsweise weist der Pyrolyseofen 1000 auf dem Gehäuseabschnitt 3 mindestens einen Halter 10 (siehe 3) auf, der ausgebildet ist, um das Kochgefäß darauf abzustellen und einen Abstand zwischen der Oberseite des Gehäuses 1, 2, 3 und dem Kochgefäß herzustellen. Weiterhin vorzugsweise ist die dem Kochgefäß zugewandte Seite des Halters 10 schräg, sodass sich durch eine Veränderung seiner Position verschiedene Abstände des Kochgefäßes zum Verbrennungsgasauslass 8 des Gehäuses 1, 2, 3 einstellen lassen. Besonders bevorzugt kann der Halter 10 aus mehreren Teilen bestehen, die relativ zueinander beweglich sind.
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Das Gehäuse 1, 2, 3 ist vorzugsweise modular ausgebildet, mit einem unteren Element 1, einem mittleren Element 2 und einem oberen Element 3. Das untere Element 1 weist vorzugsweise mindestens einen Abstandshalter 15 auf, der ausgestaltet ist, um zwischen dem unteren Element 1 und dem mittleren Element 2 einen Abstand zu erzeugen, so dass ein zweiter Lufteinlass 11 gebildet wird. Durch diesen Lufteinlass 11 strömt Sekundärluft 200 und Tertiärluft 300 in das Innere des mittleren Elements 2. Das obere Element 3 weist den Verbrennungsgasauslass 8 auf.
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Das mittlere Element 2 weist an seiner Unterseite und an seiner Oberseite jeweils mindestens eine Öffnung auf. Vorzugsweise ist das mittlere Element 2 zylindrisch oder konisch. Das mittlere Element 2 umschließt die Brennkammer 4 und den Flammenkonzentrator 5.
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Die Brennkammer 4 weist vorzugsweise ein Auflager 6 für Brennstoff auf. Die Brennkammer 4 weist unterhalb des Auflagers 6 einen Lufteinlass 7 für Primärluft 100 auf. Der Lufteinlass 7 erstreckt sich vorzugsweise senkrecht zur Längsache der Brennkammer 4 in eine radiale Richtung, wobei zumindest die Öffnung des Lufteinlass' 7 die Außenwand des Gehäuses 1, 2, 3 penetriert. Besonders bevorzugt erstreckt sich der Lufteinlass 7 radial in den durch den Abstandshalter 15 gebildeten Abstand zwischen dem unteren Element 1 und dem mittleren Element 2.
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In einem oberen Bereich weist die Brennkammer 4 mindestens eine Einlassöffnung 41 auf, durch die Sekundärluft 200, die durch den Lufteinlass 11 in das mittlere Element 2 einströmt, in die Brennkammer 4 geleitet wird.
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Die Brennkammer 4 wird in einem oberen Bereich von dem Flammenkonzentrator 5 umgeben, und der Flammenkonzentrator 5 bedeckt die Oberseite der Brennkammer 4 zumindest teilweise. An seiner Oberseite weist der Flammenkonzentrator 5 eine Öffnung 51 auf. Die Öffnung 51 des Flammenkonzentrators 5 weist einen geringeren Querschnitt auf, als der Querschnitt der offenen Oberseite der Brennkammer 4.
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Vorzugsweise wird die Brennkammer 4 durch das untere Element 1 und/oder das mittlere Element 2 gestützt. Vorzugsweise wird das untere Element 1 und/oder das mittlere Element 2 und/oder das obere Element 3 aus einem natürlichen Material gefertigt, beispielsweise aus Lehm oder Beton. Besonders bevorzugt ist das natürliche Material armiert. Die Brennkammer 4 und/oder der Flammenkonzentrator 5 sind vorzugsweise aus einem lokal verfügbaren Material gefertigt. Besonders bevorzugt sind die Brennkammer 4 und der Flammenkonzentrator aus lokal verfügbarem Metall, beispielsweise aus recyceltem Blech gefertigt.
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Zwischen der Außenwand der Brennkammer 4 und der Innenwand des Flammenkonzentrators 5 wird ein Spalt 24 gebildet durch den Sekundärluft 200, die durch den Lufteinlass 11 in das mittlere Element 2 strömt, zu Einlassöffnungen 41, die im oberen Abschnitt der Brennkammer 4 vorgesehen sind, geleitet wird. Zwischen der Außenwand des Flammenkonzentrators 5 und der Innenwand des mittleren Elements 2 des Gehäuses 1, 2, 3 besteht ein Spalt 25 durch den Tertiärluft 300 in den Bereich einer oberen Öffnung 51 des Flammenkonzentrators 5 geleitet wird.
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Der Verbrennungsvorgang des Brennstoffs, der sich vorzugsweise auf dem Auflager 6 der Brennkammer 4 befindet, erfolgt über die Zufuhr von Primärluft 100 in die Brennkammer 4 durch den regelbaren Lufteinlass 7. Das Feuer wird im oberen Bereich der Brennkammer gestartet und die Holzgasproduktion zieht dann kontinuierlich bis in den unteren Bereich der Brennkammer (Top to Down Konzept) zum Auflager der Brennstoffkammer und produziert in dieser Verbrennungsphase die Holzkohle. Nach dem Anzünden wird nach einer bestimmten Zeit der Querschnitt des Lufteinlasses 7 durch einen Schieber aus Metall reduziert (geschlossen), um zu vermeiden, dass der Brennstoff durch zuviel (kontinuierliche Zufuhr von) Primärluft 100 vollständig verbrennt. Durch das Reduzieren (Schließen) des Lufteinlasses 7 wird der Brennstoff effektiver verkohlt.
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Im Zuge der Verkohlung des Brennstoffs entsteht Verbrennungsgas, welches in den oberen Teil der Brennkammer 4 steigt. Aufgrund des geringeren Querschnitts der oberen Öffnung 51 des Flammenkonzentrators 5 relativ zum Querschnitt der offenen Oberseite der Brennkammer 4, verlässt das Verbrennungsgas die Brennkammer 4 nicht ungehindert, sondern wird am oberen Ende der Brennkammer 4 gebündelt. Durch die Einlassöffnungen 41 im oberen Bereich der Brennkammer 4 wird dem heißen Verbrennungsgas Sekundärluft 200 beigemischt und das Verbrennungsgas verbrennt zusätzlich.
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Das Verbrennungsgas steigt durch die obere Öffnung 51 des Flammenkonzentrators 5 weiter in Richtung des Verbrennungsgasauslasses 8 des Gehäuses 1, 2, 3. Nachdem das Verbrennungsgas die obere Öffnung 51 des Flammenkonzentrators 5 passiert hat, vermischt es sich im Spalt 25 mit Tertiärluft 300, die durch den Lufteinlass 11 in das Gehäuse 1, 2, 3 zur oberen Öffnung 51 des Flammenkonzentrators 5 geleitet wird. Durch die Zufuhr von Tertiärluft 300 verbrennen weitere, bisher nichtverbrannte Anteile des aus der Brennkammer 4 und dem Flammenkonzentrator 5 strömenden Verbrennungsgases.
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Die während der Verbrennung und Verkohlung entstehende Wärme sowie nicht verbrannte Anteile des Verbrennungsgases treten durch den Verbrennungsgasauslass 8 aus dem Gehäuse 1, 2, 3 aus. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die entstehende Wärme genutzt um ein Kochgefäß zu erhitzen, das sich oberhalb des Verbrennungsgasauslasses 8 befindet.
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Mit dem Pyrolyseofen gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Verbrennung des Holzgases Sekundärluft 200 und später Tertiärluft 300 zugeführt. Somit entsteht ein Nachbrenneffekt, wodurch sich die thermische Effizienz des Pyrolyseofens verbessert und die Rauchbildung reduziert wird.
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Durch den größenverstellbaren Effizienzring wird die zum Kochen genutzte Energie gezielt auf das Kochgefäß geleitet, was ebenfalls vorteilhaft für die thermische Effizienz des Pyrolyseofens ist.
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Aufgrund der verbesserten Effizienz kann der Brennstoffeinsatz, verglichen mit üblichen Pyrolyseöfen oder der 3-Steine-Kochstelle, verringert werden. Dies wirkt sich positiv auf die Umwelt aus und reduziert Betriebskosten.
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Weiterhin ist mit dem erfindungsgemäßen Pyrolyseofen nach dem Anzünden kein Feuermanagement mehr notwendig, was die Handhabung vereinfacht und die Verbrennungsgefahr reduziert.
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Die Herstellungskosten des erfindungsgemäßen Pyrolyseofens sind, verglichen mit herkömmlichen Kleinpyrolyseöfen, um ein Vielfaches geringer, da günstige, lokal vorkommende Materialen genutzt werden, wie beispielsweise Lehm, Beton oder Recycling-Metall. Somit lässt sich der Pyrolyseofen der vorliegenden Erfindung regional herstellen, wodurch Arbeitsplätze auf regionaler/dörflicher Ebene geschaffen werden.
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Durch seine modulare Bauweise kann der Pyrolyseofen einfach und kostengünstig repariert werden und ermöglicht eine einfache, kostengünstige Wartung vor Ort. Somit entstehen in armen, ländlichen Regionen geschlossene Wirtschaftskreisläufe, was für die dortigen Bewohner ebenfalls vorteilhaft ist.
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Obwohl die Erfindung mittels der Figuren und der zugehörigen Beschreibung dargestellt und detailliert beschrieben ist, sind diese Darstellung und diese detaillierte Beschreibung illustrativ und beispielhaft zu verstehen und nicht als die Erfindung einschränkend. Es versteht sich, dass Fachleute Änderungen und Abwandlungen machen können, ohne den Umfang der folgenden Ansprüche zu verlassen. Insbesondere umfasst die Erfindung ebenfalls Ausführungsformen mit jeglicher Kombination von Merkmalen, die vorstehend zu verschiedenen Aspekten und/oder Ausführungsformen genannt oder gezeigt sind.
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Die Erfindung umfasst ebenfalls einzelne Merkmale in den Figuren auch wenn sie dort im Zusammenhang mit anderen Merkmalen gezeigt sind und/oder vorstehend nicht genannt sind.
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Im Weiteren schließt der Ausdruck „umfassen“ und Ableitungen davon andere Elemente oder Schritte nicht aus. Ebenfalls schließt der unbestimmte Artikel „ein“ bzw. „eine“ und Ableitungen davon eine Vielzahl nicht aus. Die Funktionen mehrerer in den Ansprüchen aufgeführter Merkmale können durch eine Einheit erfüllt sein. Die Begriffe „im Wesentlichen“, „etwa“, „ungefähr“ und dergleichen in Verbindung mit einer Eigenschaft beziehungsweise einem Wert definieren insbesondere auch genau die Eigenschaft beziehungsweise genau den Wert. Alle Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als den Umfang der Ansprüche einschränkend zu verstehen.
