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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Verbindungsschaltglied zum gezielten Kurzschließen eines Stromkreises mit Energien von bis zu 100 kJ, das gegenüber bisherigen Verbindungsschaltgliedern oder Relais weniger Bauraum erfordert, deutlich kleiner, leichter und kostengünstiger herzustellen ist, bei seinem aktiven Auslösen weniger aktivierbares Material benötigt und dabei dennoch sicher, schnell und ohne Kontaktprellen schaltet. Das Schaltprinzip ist für Stromkreise bis zu 10 kV Betriebsspannung gut einsetzbar, zudem kann die Zeitdauer zwischen Ansteuerung des elektrischen Verbindungsschaltglieds und dem Kurzschließen des Stromkreises auf bis zu 40 µsec gesenkt werden und ist damit um zwei Größenordnungen schneller als man mit beispielsweise einem Relais schalten könnte.
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Elektrische Verbindungsschaltglieder zum Schließen von Stromkreisen werden beispielsweise verwendet, um nach einem KFZ-Unfall elektrische Energie aus einem KFZ-Untersystem zu nehmen. So haben beispielsweise Inverter von Elektrofahrzeugen auch nach deren Abschaltung noch kapazitiv Energie gespeichert, die nach einem Unfall und nach dem Abtrennen der Fahrzeugbatterie so schnell wie möglich aus dem System genommen werden muss, d.h. beispielsweise in Wärme umgewandelt werden muss, um einen Brand oder eine Explosion zu verhindern. Hierfür können beispielsweise elektrische Unterbrechungsschaltglieder mit einer sogenannten Mittelelektrode verwendet werden, wie sie in der
DE 10 2016 124 176 A1 beschrieben werden.
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Bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellen ist das jedoch anders, da hier die aus dem System abzuführende Energie wesentlich höher ist. Bei Brennstoffzellen liegt das Problem darin, dass zwar nach einem Unfall die Wasserstoff- und die Sauerstoffzufuhr unterbrochen werden kann, jedoch in der Brennstoffzelle selbst in diesem Fall noch ausreichend reaktives Brennmaterial vorhanden ist, um die genannten hohen Energien zu erzeugen. Bei so hohen Energien eignen sich die zuvor genannten Schalter mit der genannten Mittelelektrode nicht mehr.
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Deshalb stellt der Stand der Technik sogenannte Pyroschalter zur Verfügung, bei denen ein Kontaktstück mittels eines Anzünders in einer Bewegungsrichtung von einer Ausgangsposition in eine Endposition bewegt wird, wobei in der Endposition zwei Anschlusskontakte miteinander verbunden werden, durch die dann der maximale Kurzschlussstrom fließt. Wie hier in den
4A und
4B sowie
5A und
5B ersichtlich, können solche Anschlusskontakte durch zwei in der Bewegungsrichtung des Kontaktstücks hintereinander angeordnete Leiterelemente gebildet werden, die dann von dem Kontaktstück überbrückt werden, ähnlich dem in der
DE 10 2014 110 825 A1 beschriebenen, sogenannten Wuchtschalter, nur mit umgekehrter Wirkung.
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Die
DE 10 2010 010 669 A1 zeigt ein elektrisches Verbindungsschaltglied, bei dem das Kontaktstück vor dem Schalten mit nur einem der beiden elektrischen Anschlusskontakte verbunden ist. Nach dem Schalten sitzt das Kontaktstück in einer für dieses vorgesehenen Aufnahmevorrichtung, wodurch über das elektrisch leitende Kontaktstück eine Verbindung zwischen den beiden elektrischen Anschlusskontakten hergestellt wird.
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Eine weitere Lösung des Stands der Technik ist das Bereitstellen eines einer Kontaktfeder ähnlichen Relaiskontakts, wie es hier in den 6A und 6B gezeigt ist.
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Die Kontaktfederausführung nach 6A und 6B hat den Nachteil einer nur beschränkten Stromtragfähigkeit, auch ist die Kontaktierung nur berührend und nicht verschweißend, also nicht langzeitstabil, die Ausführungen des Stands der Technik nach 4 und 5 weisen den Nachteil auf, dass für die Verbindung der beiden Anschlusskontakte das Kontaktstück mit einer relativ großen Kraft beaufschlagt werden muss, um ein sicheres Kontaktieren bzw. Verschweißen beider Kontakte nach der Kolbenbewegung zu gewährleisten. Weiterhin benötigen diese Baugruppen relativ viel Bauraum und haben ein hohes Gewicht.
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Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Verbindungschaltglied zur Verfügung zu stellen, das auf einem möglichst geringen Bauraum und unter Verwendung von möglichst wenig aktivierbarem Material (Zündmaterial oder Detonationsmaterial) in der Lage ist, aus einem System schnell und sicher Energien bis zu 100 kJ abzuführen und den Kurzschluss sicher aufrechtzuerhalten.
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Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektrisches Verbindungsschaltglied des Schutzanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche 2 bis 10 zeigen weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung.
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Das erfindungsgemäße elektrische Verbindungsschaltglied weist zwei elektrisch leitfähige Kontaktelemente und ein elektrisch leitfähiges Kontaktstück zur Verbindung der Kontaktelemente auf. Das Kontaktstück oder Kolben ist entlang einer Bewegungsbahn bewegbar, wodurch das Verbindungsschaltglied von einem elektrisch getrennten Zustand in einen elektrisch verbundenen Zustand überführbar ist. Das Kontaktstück ist im getrennten Zustand mit keinem der Kontaktelemente elektrisch verbunden und im verbundenen Zustand mit beiden Kontaktelementen elektrisch verbunden. Die Kontaktelemente sind so ausgebildet, dass im verbundenen Zustand die Kontaktelemente das Kontaktstück von gegenüberliegenden Seiten umgreifen. Auf diese Weise können die beiden Kontaktelemente zusammen in einer kompakten Bauweise angeordnet werden, so dass der Raumbedarf des erfindungsgemäßen Verbindungsschaltglieds geringer als bei Verbindungsschaltgliedern des Stands der Technik ist.
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In einer Ausgestaltung ist es bevorzugt, dass die Kontaktelemente auf gegenüberliegenden Seiten der Achse der Bewegungsbahn des Kontaktstücks angeordnet sind. Auf diese Weise kann das Kontaktstück zwischen die Kontaktelemente einfahren und verbindet diese elektrisch zeitgleich. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verbindungsschaltglied mit hoher Geschwindigkeit geschaltet werden.
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Die Kontaktelemente sind vorzugsweise in einer Ebene parallel zueinander angeordnet, wobei die Ebene schräg oder senkrecht zur Bewegungsbahn des Kontaktstücks angeordnet ist. Eine im Wesentlichen senkrechte Anordnung ist erfindungsgemäß bevorzugt, da dies bautechnisch leichter zu realisieren ist.
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In einer Ausgestaltung ist es bevorzugt, dass die Kontaktelemente geometrisch identisch sind. Dabei ist es bevorzugt, dass die Kontaktelemente so ausgebildet sind, dass sie, wenn sie entlang einer gedachten Mittelachse um 180° gedreht werden, ineinander überführbar sind. Die Mittelachse entspricht hier vorzugsweise der Achse der Bewegungsbahn des Kontaktstücks. Die Kontaktelemente können jeweils teilkreisförmig ausgebildet sein, wodurch sie ein rundes bzw. zylinderförmiges Kontaktstück hervorragend umgreifen können. Die Kontaktelemente können aber auch klammerartig oder schleifend ausgebildet sein. Auch die letztgenannten Formen können ein rundes oder zylinderförmiges Kontaktstück gut umgreifen. Es ist aber auch denkbar, dass das Kontaktstück eine andere Grundfläche als einen Kreis hat, beispielsweise ein Quadrat, Rechteck, Fünfeck oder Sechseck. Das Kontaktstück kann aber auch kegelförmig, keilförmig oder plattenartig ausgestaltet sein. In den letztgenannten Fällen ist es bevorzugt, dass die beiden Kontaktelemente spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet sind. Die beiden Kontaktelemente bilden somit zusammen eine Aufnahmestruktur für das Kontaktstück. Es ist bevorzugt, dass sich diese Aufnahmestruktur bei Aufnahme des Kontaktstücks so aufweitet, dass nach der Abbremsung beziehungsweise dem Einfahren des Kontaktstücks ein stabiler, stetiger Kontaktdruck auf den Kontaktelementen vorhanden ist, der so hoch werden kann, dass die Kontaktelemente mit dem Kontaktstück an den Berührungsflächen sogar innig miteinander verschweißen. Das Kontaktstück kann hierbei angeritzt oder sogar verformt werden, um einen guten elektrischen Kontakt sicherzustellen. Je nach verwendetem Material der Kontaktelemente kann der Strom über die beiden elektrischen Anschlusskontakte des erfindungsgemäßen Verbindungsschaltglieds reduziert werden. Die elektrischen Anschlusskontakte sind mit den Kontaktelementen verbunden. Anschlusskontakt und Kontaktelement bilden vorzugsweise eine Einheit und sind vorzugsweise einstückig ausgebildet. Die Kontaktelemente sind vorzugsweise aus Kupfer oder einem Edelstahl hergestellt, das Kontaktstück kann auch ein metallisierter oder mit einer mehr oder weniger elektrisch leitfähigen Schicht beschichteter Nichtleiter sein, beispielsweise eine elektrisch leitfähig beschichtete Keramik oder ein elektrisch leitfähig beschichteter Kunststoff.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbindungsschaltglieds wird anstelle eines massiven Kontaktstücks ein geschlitztes, aus elektrisch gut leitendem Material hergestelltes Konusrohr verwendet, das sich beim Einfahren des Kolbens aufweitet und sich an die beiden nun festen Kontaktelemente anlegt und diese dadurch elektrisch miteinander verbindet. Der frühere Spalt zwischen den Kontaktelementen und dem ersten Gehäuse kann hier gegen Null gehen, das benötigte elastisch/plastische Element ist hier das geschlitzte Konusrohr. Wird eine Potentialtrennung zwischen Kolben bzw. Anzündung und Kontaktelementen gewünscht, kann hier der Kolben vollständig aus Kunststoff hergestellt sein.
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In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass das Kontaktstück bei der Überführung vom getrennten Zustand in den verbundenen Zustand beide Kontaktelemente im Wesentlichen zeitgleich berührt. Auf diese Weise kann eine einfache Bauweise und ein schnelles Schalten des Verbindungsschaltglieds gewährleistet werden. Dabei ist es bevorzugt, dass das Kontaktstück die beiden Kontaktelemente mit einem maximalen zeitlichen Versatz von weniger als 0,2 ms berührt.
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In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann das erfindungsgemäße Verbindungsschaltglied eine Haltevorrichtung aufweisen. Diese Haltevorrichtung ist vorzugsweise als Gehäuse für die Kontaktelemente ausgebildet. Die Kontaktelemente sind hierbei vorzugsweise über die Anschlusskontakte an der Haltevorrichtung befestigt. Vorzugsweise weist die Haltevorrichtung im Inneren eine Begrenzung auf, innerhalb derer die Kontaktelemente angeordnet sind. Dabei umgibt die Haltevorrichtung die elektrischen Kontaktelemente vorzugsweise derart, dass deren Lage zueinander sowohl im verbundenen wie im getrennten Zustand des Verbindungsschaltglieds im Wesentlichen gesichert ist. Darunter ist zu verstehen, dass die Kontaktelemente sich nur in geringem Maße bewegen können, wenn das Kontaktstück zwischen ihnen aufgenommen wird. Vorzugsweise ist zwischen der Begrenzung der Haltevorrichtung und den Kontaktelementen ein Spalt vorhanden, der es ermöglicht, dass die oben erwähnte Aufnahmestruktur bei der Aufnahme des Kontaktstücks etwas bis maximal zur Begrenzung durch die Haltestruktur aufweiten kann. Auf diese Weise ist eine Überdehnung der Kontaktelemente nicht möglich und der sichere Kontakt mit dem Kontaktstück ist gewährleistet.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Kontaktstück mithilfe eines aktivierbaren Antriebs entlang seiner Bewegungsbahn bewegt wird. Der aktivierbare Antrieb kann ein Anzünder, ein Gasgenerator oder ein Detonator sein, wie sie im Stand der Technik bekannt sind. Der aktivierbare Antrieb ist vorzugsweise ansteuerbar und wird beispielsweise dann ausgelöst, wenn ein Stromkreis gezielt kurzgeschlossen werden soll.
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In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann der aktivierbare Antrieb einen von einem Gehäuse geführten Kolben bewegen, mit dessen Hilfe das Kontaktstück entlang seiner Bewegungsbahn bewegt wird. Auch hier befindet sich der aktivierbare Antrieb vorzugsweise innerhalb des Gehäuses. Der Kolben kann dabei einstückig oder auch mehrstückig ausgestaltet sein. Ist der Kolben mehrstückig ausgestaltet, so ist es bevorzugt, dass er teleskopartig ausgestaltet und entlang der Bewegungsrichtung des Kontaktstücks aus dem Gehäuse ausfahrbar ist, Die Vorteile eines teleskopartigen Aufbaus des Kolbens für den Antrieb des Kontaktstücks sind: (1) schnelleres Kurzschließen bzw. Verbinden der beiden Anschlusskontakte, da bei einem beispielsweise zweiteiligen Teleskop, wie in den 9A und 9B unten gezeichnet, jedes Teleskopsegment nur den halben Weg gegenüber einem einstückigen Kolben zurücklegen muss, und jedes Teleskopsegment gleichzeitig ausfährt; (2) bei einer festliegenden Wegstrecke für das Kontaktstück, die sich beispielsweise aus der zu schaltenden Hochspannung ergibt, kann die Baugruppe entsprechend kürzer gebaut werden. Bei einem Kolben mit zwei Teleskopsegmenten (wie in 9A und 9B gezeigt) kann der Kolben um die Länge eines Teleskopsegments verkürzt und damit in größerem Abstand zu den Kontaktelemente platziert werden. Es können aber auch teleskopartige Kolben mit mehr als zwei Teleskopsegmenten verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung wird nun mithilfe der folgenden Figuren beschrieben, wobei die 4A und 4B bis 6A und 6B Ausführungsformen nach dem Stand der Technik sind. Bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen können sämtliche Merkmale, die in einer Ausführungsform gezeigt sind, auch auf die anderen Ausführungsformen übertragen werden, sofern es technisch nicht ausgeschlossen ist:
- 1 zeigt in der Mitte den Schnitt eines zusammengebauten erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsschaltglieds im elektrisch nicht verbundenen Zustand, wobei oben eine Ansicht nach Schnitt B-B und unten eine Ansicht nach Schnitt A-A gezeigt wird.
- 2A zeigt unten eine schematische seitliche Ansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsschaltglieds im elektrisch nicht verbundenen Zustand, wobei oben eine Ansicht nach Schnitt B-B gezeigt wird.
- 2B zeigt eine schematische seitliche Ansicht eines Verbindungsschaltglieds nach 2A im elektrisch verbundenen Zustand. Hier wurde nach der Auslösung der Baugruppe das Kontaktstück zwischen die beiden Kontaktelemente gedrückt.
- 3A zeigt unten eine schematische seitliche Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsschaltglieds im elektrisch nicht verbundenen Zustand, wobei oben eine Ansicht nach Schnitt B-B gezeigt wird.
- 3B zeigt eine schematische seitliche Ansicht eines Verbindungsschaltglieds nach 3A im elektrisch verbundenen Zustand. Gegenüber der Ansicht in 2B wird hier das Kontaktstück nicht zwischen die Kontaktelemente gedrückt, sondern eingeschossen, weil hier der Kolben zurückgehalten wird.
- 4A zeigt eine schematische seitliche Ansicht eines nicht erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsschaltglieds im elektrisch nicht verbundenen Zustand, bei dem zwei parallel zueinander angeordnete Kontaktelemente zeitlich nacheinander von einem Kontaktstück kontaktiert werden. Das hier gezeigte Schaltprinzip ist Stand der Technik.
- 4B zeigt eine schematische seitliche Ansicht eines Verbindungsschaltglieds nach 4A im elektrisch verbundenen Zustand.
- 5A zeigt eine schematische seitliche Ansicht eines nicht erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsschaltglieds im elektrisch nicht verbundenen Zustand, bei dem zwei parallel zueinander angeordnete Kontaktelemente zeitlich nacheinander von einem zeitweise frei fliegendem Kontaktstück kontaktiert werden. Das hier gezeigte Schaltprinzip ist Stand der Technik.
- 5B zeigt eine schematische seitliche Ansicht eines Verbindungsschaltglieds nach 5A im elektrisch verbundenen Zustand.
- 6A zeigt eine schematische seitliche Ansicht eines nicht erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsschaltglieds im elektrisch nicht verbundenen Zustand, bei dem zwei Relais-ähnlich angeordnete Kontaktelemente durch die Bewegung des Kontaktstücks miteinander verbunden werden. Gegenüber einem normalen Relais wird hier lediglich der Elektromagnet durch ein pyrotechnisches Kraftelement ersetzt.
- 6B zeigt eine schematische seitliche Ansicht eines Verbindungsschaltglieds nach 6A im elektrisch verbundenen Zustand.
- 7A zeigt eine Draufsicht entlang der gedachten Mittelachse auf zwei kreisförmige elektrische Kontaktelemente mit elektrischen Anschlusskontakten.
- 7B zeigt eine Draufsicht entlang der gedachten Mittelachse auf zwei klammerartige elektrische Kontaktelemente mit elektrischen Anschlusskontakten.
- 7C zeigt eine Draufsicht entlang der gedachten Mittelachse auf zwei schleifende elektrische Kontaktelemente mit elektrischen Anschlusskontakten.
- 8A zeigt eine Draufsicht entlang der gedachten Mittelachse auf zwei kreisförmige elektrische Kontaktelemente mit elektrischen Anschlusskontakten; gegenüber 7A sind hier jedoch die Anschlusskontakte winkelig gebogen.
- 8B zeigt eine Draufsicht auf die beiden Kontaktelemente nach 7A und 7B um 90° gedreht, so dass man die Anschlussbohrungen der beiden Kontaktelemente sieht.
- 8C zeigt wieder eine Draufsicht auf die beiden Kontaktelemente nach 7A und 7B um 90° gedreht, so dass man die Anschlussbohrungen der beiden Kontaktelemente sieht. Gegenüber 8B sind hier jedoch die beiden Anschlussbohrungen der Kontaktelemente aus der Mittellinie der Kontaktelemente verschoben, um die gesamte Baugruppe wieder anders positionieren zu können.
- 9A zeigt unten eine schematische seitliche Ansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsschaltglieds im elektrisch nicht verbundenen Zustand, wobei oben eine Ansicht nach Schnitt B-B gezeigt wird, wobei der das Kontaktelement anschiebende Kolben teleskopartig ausgebildet ist.
- 9B zeigt eine schematische seitliche Ansicht eines Verbindungsschaltglieds nach 9A im elektrisch verbundenen Zustand. Hier wurde nach der Auslösung der Baugruppe das Kontaktstück zwischen die beiden Kontaktelemente gedrückt.
- 10 zeigt unten eine schematische seitliche Ansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsschaltglieds im elektrisch nicht verbundenen Zustand, wobei oben eine Ansicht nach Schnitt B-B gezeigt wird, wobei die Kontaktelemente spiegelsymmetrisch zueinander zur Aufnahme eines keilförmigen oder plattenartigen Kontaktstücks ausgebildet sind
- 11A zeigt unten eine schematische seitliche Ansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsschaltglieds im elektrisch nicht verbundenen Zustand, wobei oben eine Ansicht nach Schnitt B-B gezeigt wird, mit eingesetztem und hier nicht an den Kontaktelementen anliegenden geschlitzten Konusrohr.
- 11B zeigt eine schematische seitliche Ansicht eines Verbindungsschaltglieds nach 11A im elektrisch verbundenen Zustand. Hier wurde nach der Auslösung der Baugruppe das geschlitzte Konusrohr durch den einfahrenden Kolben aufgeweitet und zwischen die beiden Kontaktelemente gedrückt.
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Die 1 zeigt in der Mitte den Schnitt eines zusammengebauten erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsschaltglieds 1 im elektrisch nicht verbundenen Zustand. Das Verbindungsschaltglied 1 weist ein erstes Gehäuse 6, das auch als Haltevorrichtung für die elektrischen Kontaktelemente 2a und 2b dient, und ein zweites Gehäuse 10 auf. In dem ersten Gehäuse 6 sind vorzugsweise die elektrischen Kontaktelemente 2a und 2b untergebracht, die vorzugsweise mit den damit verbundenen elektrischen Anschlusskontakten 8a und 8b verbunden sind. Vorzugsweise sind die elektrischen Kontaktelemente 2a und 2b und die Anschlusskontakte 8a und 8b einstückig ausgebildet. Die Anschlusskontakte 8a und 8b werden dabei von dem ersten Gehäuse 6 gehalten und halten auf diese Weise indirekt die elektrischen Kontaktelemente 2a und 2b in dem ersten Gehäuse 6 in der gewünschten Anordnung bzw. Position. Die Anschlusskontakte 8a und 8b weisen vorzugsweise Bohrungen 9 auf, an denen das gesamte Verbindungsschaltglied 1 angeschraubt bzw. befestigt werden kann. Damit kann die gesamte Baugruppe an sogenannte Stromschienen geschraubt werden. Die Bohrungen 9 der elektrischen Anschlusskontakte 8a und 8b können so versetzt werden, wie es die gewünschte Einbaulage des Verbindungsschaltglieds 1 zwischen bzw. auf den kurzzuschließenden Stromschienen gerade erfordert. Wie aus der oberen Abbildung der 1 gesehen werden kann, die einen Schnitt B-B durch das Verbindungsschaltglied 1 darstellt, sind die Kontaktelemente 2a und 2b um eine gedachte Mittelachse 5 kreisförmig bzw. teilkreisförmig ausgebildet. Die Kontaktelemente 2a und 2b sind so ausgebildet, dass sie sich gegenseitig nicht berühren und in ihrer Mitte ein Kontaktstück 3 aufnehmen können, das elektrisch leitend ist und die Kontaktelemente 2a und 2b im verbundenen Zustand des Verbindungsschaltglieds 1 miteinander elektrisch verbinden. Auf diese Weise kann ein Strom von dem elektrischen Anschlusskontakt 8a zu dem elektrischen Anschlusskontakt 8b, oder umgekehrt, fließen. Wie in 1 gezeigt, berühren die elektrischen Kontaktelemente 2a und 2b im verbundenen Zustand des Verbindungsschaltglieds 1 das vorzugsweise zylinderförmige Kontaktstück 3 von zwei gegenüberliegenden Seiten 4a und 4b (Bezugszeichen in 1 nicht gezeigt, jedoch in den 2B und 3B). Das erste Gehäuse 6 weist vorzugsweise Befestigungsbohrungen 17 auf, die dazu dienen können, einen oberen Deckel 19 mit den Schrauben 21 anzubringen, bzw. das erste Gehäuse (Haltevorrichtung für die elektrischen Kontaktelemente) 6 mit dem zweiten Gehäuse 10 fest verbinden zu können. Das zweite Gehäuse 10 weist vorzugsweise im nicht verbundenen Zustand des Verbindungsschaltglieds 1 das Kontaktstück 3 auf, das vorzugsweise mit dem Kolben 11 verbunden ist. Das Kontaktstück 3 kann an der dem ersten Gehäuse 6 abgewandten Seite eine Bohrung aufweisen, in der ein Nippel des Kolbens 11 Platz finden kann, d.h. das Kontaktstück 3 kann über diesen Nippel auf den Kolben 11 gesteckt sein. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Verbindungsschaltglied 1 vorzugsweise einen aktivierbaren Antrieb 7 auf, der in 1 in nicht ausgelöster Form gezeigt ist. Der aktivierbare Antrieb 7 befindet sich vorzugsweise auf der Seite des Kolbens 11, die dem Kontaktstück 3 gegenüberliegt. Auf diese Weise kann bei Auslösung des aktivierbaren Antriebs 7 das Kontaktstück 3 entlang einer Achse 5 bewegt werden und kommt vorzugsweise zwischen den elektrischen Kontaktelementen 2a und 2b zum Stillstand. Für Letzteres dienen vorzugsweise sogenannte Notstoppelemente 16 (Bezugszeichen in den 2B und 3B gezeigt) bzw. der obere Deckel 19. Der obere Deckel 19 kann weiterhin eine Sensorschraube 22 aufweisen, mit deren Hilfe festgestellt werden kann, ob das Verbindungsschaltglied 1 im elektrisch verbundenen oder elektrisch nicht verbundenen Zustand vorliegt. Zwischen dem oberen Deckel 19 und dem ersten Gehäuse 6 kann zur Abdichtung des Innenraumes des Verbindungsschaltglieds 1 eine Dichtfolie 26 vorgesehen sein. Der Kolben 11 wird nach der Auslösung des aktivierbaren Antriebs 7 innen vom zweiten Gehäuse 10 geführt. Weiterhin weist der Kolben 11 vorzugsweise an der dem Kontaktstück 3 abgewandten Seite einen einseitig geöffneten vorzugsweise zylinderförmigen Hohlraum auf, in dem der aktivierbare Antrieb 7 angeordnet ist. Eine an den Kolben 11 angeordnete Kolbendichtungen 12 zwischen dessen Außenseite und der Innenseite des zweiten Gehäuses 10 kann den Innenraum des Verbindungsschaltglieds 1 abdichten. An der Unterseite kann ein Kabeleinlass 25 für elektrische Kabel oder pyrotechnische Übertragungsleitungen (TLX, Shocktube etc.) vorgesehen sein, über die der aktivierbare Antrieb 7 aktiviert werden kann. Wie in der 1 gezeigt, kann weiterhin ein Vergussteil vorgesehen sein, mit dem der Innenraum des zweiten Gehäuses 10 an der Unterseite in Verbindung mit einem Verschluss und Träger 23 des aktivierbaren Antriebs verschlossen wird. An der Unterseite des zweiten Gehäuses 10 befindet sich vorzugsweise ein unterer Deckel 20, der in seiner Mitte eine Kabelöffnung aufweisen kann. Der Schnitt A-A durch den unteren Deckel 20 ist in der Abbildung unten in der 1 gezeigt. Der untere Deckel 20 kann eine oder mehrere Befestigungsbohrungen 17 aufweisen. Über diese kann der untere Deckel 20 mit dem zweiten Gehäuse 10 über Deckelschrauben 21 verschraubt werden. Zwischen dem unterem Deckel 20 und dem zweiten Gehäuse 10 kann eine Dichtfolie 26 vorgesehen sein. Gehäuse 10 kann mit Gehäuse 6 einstückig sein. In anderen Ausführungsformen können alle Teile 20, 10, 6 und 19 einstückig gespritzt sein, mit oder ohne Einlegeteile Sensor 22, Verschluss 23 samt Kolben 11, Antrieb 7 und Kontaktstück 3. Das zweite Gehäuse 10 und das erste Gehäuse 6 sind in der Regel aus einem elektrisch nicht-leitenden Kunststoff hergestellt; werden hier elektrisch leitfähige Materialien verwendet, müssen die Kontaktelemente allseitig abisoliert werden. Beim Einfahren des Kontaktstücks 3 würde die Isolation der Kontaktelemente 2a und 2b an den Berührungsstellen abgeschabt, aufgerissen oder abgerissen werden, um damit wieder die beiden Kontaktelemente 2a und 2b elektrisch miteinander zu verbinden. Das Kontaktstück 3 kann aus Metall oder aus einem mit elektrisch leitendem Material beschichteten Nichtleiter bestehen. Beispielsweise aus Keramik oder aus Kunststoff.
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2A und 3A zeigen unten schematische seitliche Ansichten eines erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsschaltglieds im elektrisch nicht verbundenen Zustand, wobei oben jeweils eine Ansicht nach Schnitt B-B gezeigt wird. 2B und 3B zeigen jeweils eine schematische seitliche Ansicht eines Verbindungsschaltglieds nach 2A bzw. 3A im elektrisch verbundenen Zustand. Bei den Bezugszeichen mit den gleichen Nummern wie in 1 kann hierauf jeweils gegenseitig Bezug genommen werden. Wird der aktivierbare Antrieb 7 ausgelöst, dann wird der Kolben 11 durch den im Inneren des zweiten Gehäuses 10 erzeugten Gasdruck angetrieben. Die Kolbendichtung 12 soll hierbei für ein effizientes Antreiben des Kolbens 11 sorgen, indem sie Gasverluste verhindert. Die Kolbendichtung 12 kann auch selbstlidernd ausgebildet sein, d.h. bei Druckbeaufschlagung wölbt sich der Kolben 11 an der hinteren Kante so auf, dass es auch hierzu einer Abdichtung zwischen Kolben 11 und zweitem Gehäuse 10 kommen kann. Hierbei kann unter Umständen ganz auf die Kolbendichtung 12 verzichtet werden. Durch den Kolben 11 wird der von dem aktivierbaren Antrieb 7 erzeugte Gasdruck in Kraft umgewandelt, die das Kontaktstück 3 beschleunigt und nach dem ersten Kontakt mit den Kontaktelementen 2a und 2b mit Gewalt zwischen diese hineingedrückt (2A, das Kontaktstück 3 bleibt stets mit dem Kolben 11 verbunden) oder hineingeschossen (3A, das Kontaktstück 3 löst sich vor dem Einfahren in die Kontaktelemente 2A und 2B vom Kolben 11) wird. Der Kolben 11 kann aus Metall oder aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen. Bei letzterem kann der Zündkreis und das zweite Gehäuse 10 elektrisch gegenüber dem Hauptstromkreis über die elektrischen Anschlusskontakte 8a und 8b isoliert werden. Wird der Kolben 11 aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt, kann auf einen Isolationsadapter 18, wie in 3A und 3B gezeigt, verzichtet werden, sofern der Zündkreis vom Hauptstromkreis getrennt werden soll. In den 2B und 3B liegt der aktivierbare Antrieb 13 in seiner ausgelösten Form vor.
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In den 2B und 3B sieht man in den oberen Abbildungen mit Schnitt B-B wie das Kontaktstück 3 von den teilkreisförmig gebogenen Kontaktelementen 2a und 2b von zwei gegenüberliegenden Seiten 4a und 4b umschlossen wird. In anderen Worten wird das einfallende Kontaktstück 3 von der aus den Kontaktelementen 2a und 2b gebildeten Aufnahmestruktur aufgenommen, so dass ein guter elektrischer Kontakt zwischen dieser Aufnahmestruktur und dem Kontaktstück 3 hergestellt wird, im Extremfall werden alle drei Bauteile an den Kontaktstellen miteinander verschweißt. Da die Kontaktelemente 2a und 2b nicht direkt an der Begrenzung 15 der Haltevorrichtung anliegen, können diese sich in die Richtung der Begrenzung 15 beim Einfahren des Kontaktstück 3 bewegen, bzw. die davon gebildete Aufnahmestruktur sich aufweiten, ohne dass das Material plastisch verformt wird, so dass nach der Abbremsung bzw. dem Einfahren des Kontaktstücks 3 ein stabiler und stetiger Kontaktdruck vorhanden ist. Das Kontaktstück 3 kann hierbei angesetzt oder sogar verformt werden, um einen guten elektrischen Kontakt sicherzustellen. Je nach verwendetem Material kann zwischen den Kontaktelementen 2a und 2b der über sie fließende Strom stark reduziert, sowie durch den hier vorliegenden elektrischen Widerstand zudem ein hoher Energiebetrag schon in der Baugruppe in Wärme umgewandelt werden. Als Werkstoffe sind deshalb Kupfer und Edelstähle für die Kontaktelemente 2a und 2b bevorzugt. Die Haltevorrichtung 6 für die elektrischen Kontaktelemente 2a und 2b (erstes Gehäuse) sichert die Lage der Kontaktelemente 2a und 2b zueinander und in Bezug auf das einfallende Kontaktstück 3. Gleichzeitig verhindert die Haltevorrichtung 6 mit der Begrenzung 15, dass die von den Kontaktelementen 2a und 2b gebildete Aufnahmestruktur beim Einfahren des Kontaktstücks 3 zu weit gedehnt wird und verhindert so, dass die Aufnahmestruktur plastisch verformt wird.
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Bei der in den 2A und 2B gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbindungsschaltglieds 1 wird das Kontaktstück 3 zwischen die Kontaktelemente 2a und 2b lediglich eingefahren bzw. eingedrückt, da es sich von dem Kolben 11 nicht löst, weil dieser vorzugsweise in dem zweiten Gehäuse 10 so weit bewegt werden kann, dass das Kontaktstück voll zwischen die beiden Kontaktelemente 2a und 2b eingedrückt werden kann. Dahingegen ist in den 3A und 3B eine Ausführungsform gezeigt, in der das zweite Gehäuse 10 sogenannte Stoppelemente 14 für den Kolben 11 aufweist, so dass den Kolben 11 am Ende seiner Bewegung stoppt. In dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, dass das Kontaktstück 3 zwischen die beiden Kontaktelemente 2a und 2b eingeschossen wird, und zwar vorzugsweise durch eine kurze Wegstrecke eines Freiflugs.
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4A und 4B , sowie 5A und 5B zeigen je eine Ausführungsform nach dem Stand der Technik, bei dem durch Auslösung des aktivierbaren Antriebs 7 ein Kolben 11 innerhalb eines Gehäuses 10 ein Kontaktstück 3 zwischen zwei Aussparungen zweier parallel angeordneter Kontaktelemente 2a und 2b bewegt wird, und dabei über die elektrischen Anschlusskontakte 8a und 8b einen Stromfluss I ermöglicht. Der Nachteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass die Kontaktelemente 2a und 2b relativ weit voneinander entfernt sind und deshalb nicht so platzsparend angeordnet werden können wie bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen. Weiterhin erfolgt die Kontaktierung der Kontaktelemente 2a und 2b nicht zeitgleich, sondern nacheinander, so dass die Überbrückung der elektrischen Anschlusskontakte 8a und 8b nicht so schnell stattfinden kann, wie es beim erfindungsgemäßen Verbindungsschaltglied 1 ist. Auch in Ausführungen, in denen das Kontaktstück 3 bereits im Kontaktelement 8b sitzt oder mit diesem elektrisch verbunden ist (nicht gezeichnet), fährt das Kontaktstück 3 nach der Aktivierung des Verbindungsschaltglieds erst noch in Richtung Kontaktelement 8b, wobei insbesondere bei Kontaktelement 8b dann sichergestellt werden muss, dass sich das Kontaktstück 3 nach dem Einfahren in Kontaktelement 8b mit dem Kontaktelement 8a sicher verbindet bzw. dieses sicher kontaktiert. Das Kontaktstück 3 muss also vor der Kontaktierung mit Kontaktelement 8a ungehindert durch Kontaktelement 8b hindurchgleiten können. In den 4A und 4B ist eine Ausführungsform gezeigt, in der das Kontaktstück 3 im vollständig zwischen die Kontaktelemente 2a und 2b eingefahrenen Zustand immer noch auf dem Kolben 11 sitzt, d.h. das Kontaktstück 3 wird nicht frei fliegend, sondern von dem Kolben 11 geführt in die Kontaktelemente 2a und 2b eingedrückt. Im Gegensatz dazu zeigen die 5A und 5B eine Ausführungsform, in der das Gehäuse 10 Stoppelemente 14 für den Kolben 11 aufweist, so dass das Kontaktstück 3 nicht von dem Kolben 3 bis zu den Kontaktelementen 2a und 2b geführt werden kann, sondern durch einen durch den aktivierbaren Antrieb 7 beaufschlagten Impuls sich im Freiflug zu den Kontaktelementen 2a und 2b bewegt und somit in diese eingeschossen wird. Auch hier werden die Kontaktelemente 8a und 8b nacheinander vom Kontaktstück 3 kontaktiert bzw. kurz vor dem Stopp des Kontaktstücks 3 mit diesem verschweißt.
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In den 6A und 6B wird eine Ausführungsform gezeigt, in der zwei als parallel angeordnete Kontaktfedern ausgebildete Kontaktelemente 2a und 2b vorliegen, wobei durch die Auslösung des aktivierbaren Antriebs 7 der Kolben 11 das Kontaktstück 3 auf die Kontaktfeder 2b drückt, die dann bis hin zu der Kontaktfeder 2a gedrückt wird, so dass die Kontaktfedern 2a und 2b miteinander verbunden sind, wodurch ein Strom I von dem elektrischen Anschlusskontakt 8a zu dem elektrischen Anschlusskontakt 8b fließen kann. Diese Ausführungsform hat gegenüber den erfindungsgemäßen Ausführungsformen auch den Nachteil des größeren Platzbedarfs. Weiterhin besteht hier nur ein berührender Kontakt, keine Pressung, kein Einschneiden und vor allem kein Verschweißen der Relais-artigen Kontakte, wie es bei der erfindungsgemäßen Ausformung der Kontaktelemente 2a und 2b ist. Gegenüber einem normalen Relais ist hier lediglich der Elektromagnet durch ein pyrotechnisches Kraftelement ersetzt - und auch hier werden die Kontaktfedern 2a und 2b nur nacheinander vom Kontaktstück 3 berührt bzw. gepresst und nicht praktisch zeitgleich wie beim erfindungsgemäßen Schaltprinzip nach den 1 bis 3.
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7A bis 7C zeigen verschiedene Formen eines Paares von Kontaktelementen 2a und 2b, die an die elektrischen Anschlusskontakte anschließen bzw. mit diesen einstückig ausgebildet sind. 7A zeigt eine Ausführungsform, in der die Kontaktelemente 2a und 2b teilkreisförmig ausgebildet sind. Hier ist die Berührung bzw. die spätere Verschweißung zu dem Kontaktstück 3 kreisförmig bis flächig. 7B zeigt eine alternative Ausführungsform eines Paares von Kontaktelementen 2a und 2b, die klammerartig ausgebildet sind. Bei Verwendung eines zylinderförmigen Kontaktstücks 3 erfolgt hier die Kontaktierung des angetriebenen Kontaktstücks 3 nur viermal linear. 7C zeigt eine weitere alternative Ausführungsform eines Paares von Kontaktelementen 2a und 2b, die schleifend ausgebildet sind. Bei Verwendung eines zylinderförmigen Kontaktstücks 3 erfolgt hier die Kontaktierung des angetriebenen Kontaktstücks 3 nur zweimal linear. Für alle Ausführungsformen der Kontakteinheiten gilt, dass das Kontaktstück 3 außen anstelle zylindrisch auch vielkantig bzw. vielflächig sein kann, um beispielsweise durch hier an den Kanten des Kontaktstücks 3 beim Einfahren in die Kontaktelemente 2a und 2b dann auftretenden höheren Pressungen leichter eine Verschweißung mit den Kontaktelementen 2a und 2b erreichen zu können.
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8A zeigt eine Draufsicht entlang der gedachten Mittelachse 5 auf zwei kreisförmig ausgebildete elektrische Kontaktelemente 2a und 2b mit elektrischen Anschlusskontakten 8a und 8b. Gegenüber 7A sind hier jedoch die Anschlusskontakte 8a und 8b winkelig gebogen, um die Lage des Verbindungsschaltglieds gegenüber den Anschraubpunkten entsprechend ändern zu können. 8B zeigt die Draufsicht auf die beiden Kontaktelemente 2a und 2b nach 7 um 90° gedreht, so dass man nun beispielhaft die Anschlussbohrungen 9 der beiden Kontaktelemente 2a und 2b sieht. 8C zeigt wieder die Draufsicht auf die beiden Kontaktelemente 2a und 2b nach 7 um 90° gedreht, so dass man die Anschlussbohrungen 9 der beiden Kontaktelemente 2a und 2b sieht; gegenüber 8B sind hier jedoch die beiden Anschlussbohrungen 9 der Kontaktelemente 2a und 2b aus der Mittellinie der Kontaktelemente 2a und 2b verschoben, um das gesamte Verbindungsschaltglied nochmal anders positionieren zu können.
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9A zeigt unten eine schematische seitliche Ansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsschaltglieds 1 im elektrisch nicht verbundenen Zustand, wobei oben jeweils eine Ansicht nach Schnitt B-B gezeigt wird. 9B zeigt eine schematische seitliche Ansicht eines Verbindungsschaltglieds 1 nach 9A im elektrisch verbundenen Zustand. Bei den Bezugszeichen mit den gleichen Nummern wie in den 1, 2A und 2B kann hierauf jeweils gegenseitig Bezug genommen werden. Das in den 9A und 9B gezeigte Verbindungsschaltglied 1 ist im Wesentlichen identisch zu dem in den 2A und 2B gezeigten Verbindungsschaltglied 1, mit Ausnahme des Kolbens 11, der in den 9A und 9B teleskopartig aufgebaut ist.
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10 zeigt unten eine schematische seitliche Ansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsschaltglieds 1 im elektrisch nicht verbundenen Zustand, wobei oben jeweils eine Ansicht nach Schnitt B-B gezeigt wird. Im Gegensatz zu den klammerartigen Kontaktelementen 2a und 2b des in 2A gezeigten Verbindungsschaltglieds sind die Kontaktelemente 2a und 2b in 10 spiegelsymmetrisch ausgebildet. Bei den Bezugszeichen mit den gleichen Nummern wie in den 1, 2A und 2B kann hierauf jeweils gegenseitig Bezug genommen werden. Das Gehäuse 6 kann - wie in 10 gezeigt - die gleiche Form wie in 2A aufweisen, mit den gleichen inneren Begrenzungen 15 für die Haltevorrichtung. Wie in 10 oben gezeigt, können die Kontaktelemente 2a und 2b zwei zueinander spiegelsymmetrische Flächen aufweisen, die zueinander parallel oder geneigt sein können. Sind die Flächen parallel zueinander kann ein beispielsweise plattenartiges Kontaktstück 3 dazwischen aufgenommen werden (nicht in 10 gezeigt). Sind die Flächen geneigt zueinander, so ist das Kontaktstück 3 vorzugsweise keilförmig (wie in 10 unten gezeigt). Bei entsprechender Form der Kontaktelemente 2a und 2b (seitlich schlitzartig unterbrochener keilförmiger Zylinder) kann das Kontaktstück 3 auch kegelförmig sein.
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11A und 11 B zeigen unten eine schematische seitliche Ansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsschaltglieds 1 im elektrisch nicht verbundenen Zustand, wobei oben jeweils eine Ansicht nach Schnitt B-B gezeigt wird. Bei der in den 11A und 11 B gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbindungsschaltglieds 1 wird anstelle eines massiven Kontaktstücks 3 ein geschlitztes Konusrohr 27 verwendet, das sich beim Einfahren des Kolbens 11 aufweitet (11B), sich hierbei an die beiden nun fest am ersten Gehäuse 6 anliegenden Kontaktelemente 2a und 2b anlegt und diese dadurch elektrisch miteinander verbindet. Der frühere Spalt zwischen den Kontaktelementen 2a und 2b und dem ersten Gehäuse 6 kann hier gegen Null gehen, das benötigte elastisch/plastische Element ist hier das geschlitzte Konusrohr 27. Wird eine Potentialtrennung zwischen Kolben 11 bzw. Anzündung und Kontaktelementen 2a und 2b gewünscht, kann hier der Kolben 11 vollständig aus Kunststoff hergestellt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbindungsschaltglied
- 2a, 2b
- elektrische Kontaktelemente
- 3
- Kontaktstück
- 4a, 4b
- gegenüberliegende Seiten des Kontaktstücks
- 5
- Achse der Bewegungsbahn des Kontaktstücks/gedachte Mittelachse
- 6
- Haltevorrichtung für die elektrischen Kontaktelemente (erstes Gehäuse)
- 7
- aktivierbarer Antrieb vor dessen Auslösung
- 8a, 8b
- elektrische Anschlusskontakte
- 9
- (Anschluss)-Bohrung
- 10
- zweites Gehäuse
- 11
- Kolben
- 12
- Kolbendichtung
- 13
- aktivierbarer Antrieb nach dessen Auslösung
- 14
- Stoppelement für Kolben
- 15
- Begrenzung der Haltevorrichtung
- 16
- Notstoppelement für das Kontaktstück
- 17
- Befestigungsbohrungen
- 18
- Isolationsadapter
- 19
- oberer Deckel
- 20
- unterer Deckel
- 21
- Deckelschrauben
- 22
- Sensorschraube
- 23
- Verschluss und Träger des aktivierbaren Antriebs
- 24
- Vergussteil
- 25
- Kabeleinlass für aktivierbaren Antrieb
- 26
- Dichtfolie
- 27
- geschlitztes Konusrohr
- I
- elektrischer Strom
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016124176 A1 [0002]
- DE 102014110825 A1 [0004]
- DE 102010010669 A1 [0005]
