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Schlagf lügelpropeller
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Die Erfindung betrifft die Konstruktion von Propulsionsvorrichtungen.
die jeweils aus einem Tragflügel bestehen, der drehelastisch mit einem Oszillatorarm
verbunden ist und der periodische Hin- und Herbewegungen quer zur Strömung ausführt.
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Die Erfindung kann Anwendung finden als Schiffsantrieb, Flugzeugantrieb,
Flugkörperantrieb, Pumpenantrieb oder als Pumpenteil in Strömungsdrehmomentwandlern
und in anderen Strömungsmaschinen, in denen durch lineare oszillierende Bewegungen
Schubkräfte oder Strömu»beschleunigungen erzeugt werden sollen.
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Dabei sind besonders günstige Konstruktionen möglich, wenn als Krafterzeugungsanlage
ein oder mehrere an sich bekannte Freikolbenverbrennungsmotoren verwendet werden,
wodurch höchste Wirkungsgrade der Gesamtanlage möglich werden bei geringstem Leistungsgewicht,
auch bei Betrieb mit Dieseltreibstoff.
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Es ist eine bekannte Tatsache, daß aerodynamische Tragflügel oder
plattenartige Körper, aie quer in einer Strömung hin- und her oszillieren, Schubkräfte
erzeugen und die Strömung beschleunigen. Annehmbare Wirkungsgrade werden nur für
große Werte des Verhältnisses va / vr (Va = Vorwärtsgeschwindigkeit des Flügels
relativ zur Strömung und vr = Querschwinggeschwindigkeit des Flügels) ereicht, was
diese Anordnung als Propulsionsanlage nutzlos macht, da das Anfahren aus dem Stand
unwirksam ist.
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Ferner sind Flossenpropeller mit flexiblen Antriebsilossen und steifen
Führungskanten bekannt 9 7, die quer zur Strömung hin-und herbewegt werden und wobei
sich die Flosse in die Richtung der Relativströmung verbiegt und die Rückführsteifigkeit
der elastischen klasse einen Anstellwinkel zur Relativströmung erzeugt, der eine
Schubkomponente hat und eine Strömungsbeschleunigung hervorruft.
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Die Art der Verbiegung der flexiblen Flosse in der Relativströmung
ist derartig, daß die Druckseite der Flosse ausgebeult und die Saugseite hohl gebeultzur
relativen Strömung ist und die steife Eintrittskante winkelweise zur Strömung va
konstant
bleibt, was strömungstechnisch ungünstig ist und keine
guten Wirkungsgrade ergibt.
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Bei höheren Schlagfrequenzen der Flosse treten dazu noch Massenbeschleunigungskräfte
auf, die einen schlechten Einfluß auf die flexible Verbiegung der Flosse ausüben,
da das Massenzentrum der Flosse weit hinter der steifen Vorderkante liegt und welche
die Schuberzeugung ungünstig beeinflußt und in besonderen fällen sogar Bremskräfte
erzeugt.
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Es ist ferner bekannt, einen in sich steifen Tragflügel an eine' Pendelachse
drehelastisch zu befestigen [17, so daß beim hin - und herpendelt der Achse quer
und senkrecht zur StrömmBder Tragilügel sich in Richtung der Relativeinstiömung
ausrichten kann, wobei aber das elastische Rückfiihtmoment einen Anstellwinkel zur
Relativströmung vr erzeugt, der eine Schubkraft und Strömungsbeschleunigung hervorruft.
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Bei dieser Anordnung liegt die Einströmkante des Tragflügels senkrecht
zu der Pendelbewegungszentrumachse und die Radial weiter entfernten Tragflügelprofilsegmente
der Flosse erhalten höhere Querpendelgeschwindigkeiten folge hat, daß die relative
Einströmung
| Vf als innere, was zur |
| Vr =tvaz + vf2 für |
Profile näher zur Pendelbewegungszentrumachse hin abnimmt und sich auch der Winkel
der Relativströmung zum Profil über die Einströmkante verändert, was strömungstechnisch
ungünstig ist und keine optimalen Wirkungsgrade erreichen läßt. ferner ist auch
hier dei Massenschwerpunkt des Tragflügels weit hinter der elastischen Flügelbefestigungsachse
mit dem Pendelschaft angeordnet, weil der Druckpunkt jeder homogenen Flosse vor
seinem Schwerpunkt liegt und der Druckpunkt hinter der elastischen Flügelbefestigungsachse
liegen muß, so daß bei höheren Pendeloszillaticnen die auftretenden Massenbeschleunigungskräfte
des Flügels die erwartete günstige Anstellung des Flügels zur Relativeinströmung
ungünstig beeinflussen und in gewissen Eällen sogar momentäre Bremskräfte erzeugt
werden. Diese Anlage ist nur funktionsfähig, wenn die Pendelgeschwindigkeiten relativ
langsam sind und dabei die Massenbeschleunigungskräfte relativ gering gegenüber
den hydrodynamischen Kräften sind.
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Im Gegensatz zu den bekannten Schlagflügel- und Flossenpropellern
besteht der Schlagflügelpropeller entsprechend der Erfindung aus einem in sich steifen
Tragflügel 1 , der von einem iührungsarm 2 quer oder besser senkrecht zur Strömung
va und senkrecht zur Tragflügelerstreckung über seine Spannweite hin - und herbewegt
wird und wobei der Tragflügel 1 drehelastisch am Führungsarm 2 befestigt ist, in
der Weise, daß das elastische Moment ME den flügel jederzeit in Richtung der Strömung
va zu verdrehen versucht, was erfordert, daß das hydrodynamische Druckzentrum des
Tragflügel 1 in Strömungsrichtung hinter der elastischen Drehachsbefestigung 3 liegt,
so daß die hydrodynamischen Kräfte R (Fig. 2) den Tragflügel in Richtung der relativen
Einströmung Vr zu drehen versuchen, wobei aber das elastische Moment ME einen Anstellwinkel
i zur Relativströmung vr erzeugt, der eine hydrodynamische Auftriebskraft L und
eine Widerstandskraft D zur Folge hat, die in die gewünschte Schubkraft T und Querkraft
Q aufgeteilt werden können (Fig. 2).
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In Richtung der Elügelspannweite bleibt der Flügel steif und alle
Flügelprolilsegmente haben die gleich momentäre Re lativströmungsgeschwindigkeit
Vr während der Oszillation. Der Flügel kann im Verhältnis zum Schiff oder Flugzeug
oder in einer Pumpe horizontal, vertikal oder schräg querschlagen, solange die Querbewegung
senkrecht oder annähernd senkrecht zur Strömungsrichtung Va und annähernd senkrecht
zur Flügelerstreckungsachse erfolgt.
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Die hydrodynamischen Kräfte werden durch den AnstellwinkelDC des Flügels
1 zur Relativströmung Va bestimmt, der wiederum abhängig vom elastischen Moment
ME der drehelastischen Befestigung 3 ist, was bedeutet, daß das konstruktiv vorgegebene
elastische Moment ME bestimmend für die Krafterzeugung ist.
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Es muß sorgfältig dimensioniert werden, um optimale Wirkungsgrade
zu ereichen. Wird es veränderbar vorgesehen, kann die Leistungscharakteristik des
Schlagflügels an verschiedenartige Strömungsbedingungen oder Lastbedingungen des
Propellers durch Veränderung des elastischen Momentes ME jeweils optimal angepaßt
werden.
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Die Oszillationsbewegung des Tragflügelführungspunktes 3 ist in Fig.
3 als Bahnkurve dg8) dargestellt mit Tf als Schlagperiode und Smax als Schlagweite.
Die Tragtlügelgeschwindigkeit Vf ändert sich demnach kontinuierlich von einem Maximalwert
in Mittenposition auf Null in den Schlagendstellungen, was zur Folge hat, daß sich
auch Schub T und Querkraft W kontinuierlich periodisch verändern.
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Die laufende Veränderung der Tragflügelgeschwindigkeiten vt erzeugt
Massenbeschleunigungskräfte am Tragflügel, deren Resultierende im Massenzentrum
des Tragflügels angreift und auch ein Moment über die drehelastische Flügelbefestigung
3 erzeugt.
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Um zu verhüten, daß dieses Massenbeschleunigungsmoment eine ungünstige
Veränderung des FlügelanstellwinkelsoC hervorruft, muß der Massenschwerpunkt des
flügels mit dem der elastischen Befestigungsachse 3 zusammenfallen oder zumindest
sehr nahe daran liegen, so daß die Massenbeschleunigungsmomente relativ klein im
Vergleich zu dem elastischen Flügelrückstellmoment ME sind.
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Je größer die Schlagfrequenz f, um so gier werden die Massenbeschleunigungskräfte,
die für übliche Motorengeschwindigkeiten und Frequenzen ganz beträchtliche Werte
erreichen können.
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Je höher die Schlagfrequenz, desto mehr muß darauf geachtet werden,
daß der Massenschwerpunkt des Flügels mit der elastischen Drehbefestigungsachse
zusammen fällt.
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Diese Forderung und gleichteitig die frühere Forderung, dem hydrodynamischen
Druckzentrum eine gewisse Rücklage in Abflußrichtung gegenüber der elastischen Befestigungsachse
3 zu geben, kann erfüllt werden durch eine entsprechend ungleiche Gewichtsverteilung
im Flügel selbst oder zugefügte Massen zum Balancieren des Flügels. In diesem Sinne
ist ne pfeilartige Flügelform (Fig. 4) vorteilhaft, bei der das Massenzentrum M
relativ zum hydrodynamischen Druckzentrum Dr vorverlegt ist und das Balancieren
des Flügels einfacher wird und z. B. durch Ausbohren von Flügelmaterial und Füllen
mit leichterem Material erreicht werdeasann, wobei die hydrodynamisch günstige Form
des Flügels
nicht gestört werden sollte.
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Die drehelastische Befestigung 3, 6 des Tragflügels 1 am Führungsarm
2 kann über ein Drehlager bei 6 und eine Torsionsfeder 3 im Flügelinnern erreicht
werden. Das elastische Moment kann aber auch außerhalb des Tragflügels 1 erzeugt
werden 9,10 und mechanisch mit zwei Hebelarmhaltern 11,12 auf den Tragflügel 1 übertragen
werden, wie in Fig. 5 angedeutet. Diese Anordnung hat noch dazu den Vorteil, daß
die Masse des Hebelarmhalters 12 mit dem Tragflügel 1 mitschwngt über die Achse
der drehelastischen Bewegung 3 und dadurch der Schwerpunkt der Gesamtmasse Tragflügel
1 und Hebelarmhalter 12 in gewünschter Weise vorverlegt ist, so daß es für diese
Anordnung einfacher ist, den Gesamtmassenschwerpunkt in die Achse der drehelastischen
Bewegung 3 zu bekommen.
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Eine ähnliche Konstruktion eines Schlagflügelpropellers entsprechend
der Erfindung mit außerhalb des Tragflügels liegenden elastischen Zugfedern 9 ist
in Fig. 5 b angedeutet. Dabei werden die Bewegung und die Kräfte über den Führungsarm
13 auf den Tragflügel 1 übertragen und das elastische Moment ME durch ein elastisches
Zugfederpaar 9 erzeugt, die über die Zugstangen 14 oder Zugdrähte 14 das Drehmoment
übertragen. Diese Anordnung ist konstruktiv einfacher.
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Eine ähnliche Konsruktion ist in Fig. 5c angedeutet, wobei der Führungsarm
13 in Strömungsrichtung vor dem Tragflügel 1 liegt und eine L - Form besitzt, wobei
zwei elastische Zugfedern 10 über Zugseile 14 das elastische Moment ME auf den Tragflügel
übertragen.
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Andere Anordnungen mit schrägstehenden Führungsarmen oder ähnliches
sind denkbar.
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Die Schwingweite des Tragflügels 1, 25 Smax muß relativ groß sein
für Schlagflügel, um gute Wirkungsgrade zu erreichen und Schwinghebel 18, 19 als
Kraftübertragungselemente sind vorteilhaft. Ein einfacher Schwinghebel führt dabei
jedoch zu Veränderungen des Ruhestellungswlnkels > in Beziehung zur Anströmrichtung
in den verschiedenen Schwinghebelpositionen, was einen negativen Einfluß auf die
Schuberzeugung des Schlagilügelpropellers
hat.
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Eine Anordnung bestehend aus zwei Schwinghebeln 18,19 in Parallelogrammanordnung
vermeidet die Ruhestellungswinkeldeformation in verschiedenen Schwinghebelpositionen
und kann als Kraftübertragungselement Verwendung finden. Die relativ geringe Abweichung
von einer linearen Oszillationsbewegung wegen der kreissegmentförmigen Bewegung
der Tragflügelhalterungsplatte 17 hat dabei keinen wesentlichen ungünstigen Einfluß
auf die Schuberzeugung des Schlagilügelpropellers. Entsprechend Fig. 7 schwingt
der Schwinghebel über die Drehlager 26, die auch günstig als Durchführungsschafte
21 durch den Schiffsboden oder ähnliche Wände sind. Dabei liegt der Hebel 20 zur
Verbindung zum Kraftantrieb eventuell innerhalb des Schiffes. Die beiden Schwinghebel
18,19 sind drehbar 22 mit der Tragflügelhalterungsplatte 17 verbunden, an der der
Tragflügel 25 drehelastisch befestigt ist, in diesem Beispiel mit mit einem Drehlager
23 und einer Torsionsfeder 24 im Flügelinnern.
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Eine ähnliche günstige Schwinghebelübertragung ist in Fig. 8 angedeutet.
Dabei werden Bewegung und Kräfte über einen Schwinghebel 37 übertragen, der über
das Drehlager 31 schwingt und wobei der Tragflügel 34 drehbar im Lager 33 mit dem
Schwinghebel verbunden ist. Das elastische Moment ME wird außerhalb des Tragflügels
34 von zwei elastischen Zugfedern 29, 30, die in einer Ebene befestigt sind, die
durch das Zentrum der Schwingbegeht und über Zugseile 35 mit einem am Tragflügel
starr befestigten Hebelarmpaar 32 in Parallelogrammanordnung, erzeugt.
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Der Übertragungsschaft 31, der das Zentrum der Schwingbewegung ist,
kann auch hier bestens als Außenkantdurchführungsachse benutzt werden und kann auf
einfache Weise abgedichtet werden.
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Viele andere Konstruktionen zur Erzeugung der elastischen Drehbefestigung
sind denkbar und auch eine Anordnung ohne Drehlager, wobei die Verdrehung von elastischen
Elementen allein erzeugt wird.
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Der Schlagflügelpropeller entsprechend der Erfindung erzeugt Schub-
und Querkraftpulsierungen, wobei sich die Querkraftpulsierung
jeweils
über eine volle Schlagperiode (ein Hin- und ein Rückgang) aufheben, jedoch werden
Querschwingungen erzeugt, die eventuell störend sein können. Eine Anordnung von
zwei Schlagilügeln entsprechend der Erfindung in Gegenschwinganordnung (Phasenverschiebung
1800 ) ergibt eine querschwingungsfreie Anlage. Anordnungen von mehreren Schlagilügeln
mit entsprechender Phasenverschiebung ergibt Quer- und Schubschwankungsfreie Propulsionsanlagen.
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Wenn das elastische Flügelrückstellmoment ME konstruktiv so vorgesehen
wird, daß die Ruhestellung des Flügels0ME - 0)nicht in Richtung der Ausströmung
va liegt, sondern schon einen Winkel)fr (Fig 6)einnimmt, so haben die erzeugten
hydrodynamischen Kräfte gröbere momentaneKomponenten in der Aufbewegung in Fig.
5 als in der Abbewegung und die resultierende Schubkraft T r wirkt nicht mehr in
Richtung parallel zur Anströmung, sondern dazu angewinkelt. Es wird also auch eine
resultierende Querkraft kr erzeugt, die zum aktiven Steuern benutzt werden kann,
sofern dieses Konstruktionselement für das elastische Moment regulierbar und steuerbar
vorgesehen wixd.Z.kann der Schlagflügel entsprechend der Erfindung als Schiffs -
Aktiv -Ruder Verwendung finden, wobei mit kleinen Ruderflächen große Ruderkräfte
erzeugt werden können und das sogar bei sehr kleinen Schiffsgeschwindigkeiten, wo
das übliche Ruder seine Wirksamkeit verliert. Bei Flugzeugen und Tragflügelbooten
kann diese resultierende Querkraft + zur Auftriebserzeugung besonders beim Startvorgang
audgenutzt werden.
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Die Krafterzeuger-Quelle einer Propulsions- oder Pumpenanlage mit
Schlagflügelpropellern entsprechend der Erfindung kann in üblicher Weise mit Hilfe
von Motoren erfolgen, wobei die Drehbewegung der Motorwelle über bekannte mechanische
Umsetzer wie Exzenter oder Kurbeitriebe oder dergleichen in die nötige lineare Oszillationbewegung
umgesetzt wird.
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Im Vergleich mit üblichen Schraubenpropelleranlagen ergibt sich dabei
ein gewisser Nachteil eines größeren mechanischen Konstruktionsaufwandes, der aber
durch die besonderen Vorteile des Schlagflügelpropellers entsprechend der Erfindung
und
besonders durch die sehr hohen erreichbaren Wirkungsgrade und
sein aktives Steuervermögen und seine bisher unerreichte Anpassungsfähigkeit an
verschiedenartige Strömungs- und Lastbedingungen ausgeglichen wird.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich dagegen bei der Verwendung von
an sich bekannten Freikolbenverbrennungs-Kraftmaschinen als Krafterzeugerquelle
in Kombination mit dem Schlagflügelpropel-1er entsprechend der Erfindung. Eine Freikolbenverbrennungskraftmaschine
in seiner einfachsten Art ist inrj]beschrieben und arbeitet nach dem Prinzip, daß
zwei Verbrennungsräume in sogenannter Boxeranordnung gegenüberliegen, wobei das
explodierende Treibstoff-Luft-Gemisch den sogenannten Doppelkolben in den Gegenzylinder
treibt, wobei es dort zur Verdichtung und Verbrennung kommt, die den Kolben wiederum
zurücktreibt.
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Die Aufladung erfolgt nach dem Zweitaktprinzip, kann aber auch über
Abgasturbo-Aufladung erfolgen.
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Der Freikolbenmotor braucht keine Kurbelwelle und kann höchste Oszillationsfrequenzen
und damit hohe Leistung pro Gewicht erreichen. Die Verdichtung ist extrem hoch und
beste Wirkungsgrade werden erreicht. Zündanlagen sind nicht notwendig. Jede Art
von flüssigem Brennstoff kann Verwendung finden ohne kcmplizierte Treibstoffeinspritzung
und eventuell ist sogar Kohlenstaubbetrieb möglich.
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Der Freikolbenmotor bietet sich an als schnellaufender Dieselmotor
einfachster Konstruktion für Schiffs- und lugzeugantriebe.
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Die bisherige Anwendung des Freikolbenmotors ist begrenzt, weil die
Ansicht herrscht, daß er nicht als Arbeitskraftmaschine direkt verwendet werden
kann und höchstens Kompressoren oder Kolbenpumpen antreiben kann.
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Der Schlagflügelpropeller entsprechend der Erfindung eröffnet dem
Freikolbenmotor ein neues Anwendungsgebiet auf dem Gebiet der Schiffs- und Flugzeugpropulsion.
Eine Antriebsanlage bestehend aus einem Freikolbenmotor mit Schlagflügelpropeller
wird damit möglich und hat die Vorteile bisher unerreichter
Einfachheit
und Ökonomie bei geringstem Leistungsgewicht.
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Die Freikolbenmaschine kann dabei so ausgebildet werden, daß das Verhältnis
Kolbenhub zu Kolbendurchmesser relativ groß ist, was bei entsprechender schwingender
Masse von Kolben und Schlagflügelpropeller möglich ist und wobei eine Direktübertragung
der Bewegung von Freikolben auf Schlagflügelpropeller möglich ist.
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Es erlaubt gleichzeitig die Konstruktion von Freikolbenmaschinen nach
dem Zweitaktverfahren mit guten Verbrennungs-und Propulsionswirkungsgraden. Die
Tatsache, daß sich die Oszillationsamplitude des Freikolbenmotors geringfügig mit
dem mittleren Arbeitsdruck verändert hat keinen ungünstigen Einfluß auf den Schlagflügelpropeller.
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Literatur £13 Stein, Erich: Wasserfahrzeug mit Flossenantrieb, Deutsches
Patentamt Patent Nr. 1953 137 Deutsche Klasse 65 h 1/36, 1970 dz Gause, Joseph Arnost:
Flexible Antriebsflosse für Wasserfahrzeuge, mit dem dazugehörigen Antrieb, Deutsches
Patentamt Patent Nr. 1531 748 Klasse 65 h 1/56, 1970 F53 Steller, F.H.A: Sechs Patente
für den Ruck-Zuck-Motor Zeitschrift Hobby Nr. 26/24, 12. 1969 Deutsches Patentamt
Patent Nr. 1451662 Deutsche Klasse 46q, 71/00, 1969.und Deutsches Patentamt Patent
Nr. 1451683 Klasse 46a - 71/00, 1969.
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