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Die
Erfindung betrifft eine Wasseraufbereitungsanlage, enthaltend eine
Hohlkammerplatte als Bauteil und ein Verfahren zur Aufbereitung
von Meer-, Brack- oder kontaminiertem Wasser durch Verdampfung und
Kondensation in der Hohlkammerplatte.
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Die
Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser oder auch aus verunreinigtem
Wasser gewinnt angesichts der wachsenden Erdbevölkerung und
der zunehmenden Umweltverschmutzung in Ländern wie beispielsweise
China an zunehmender Bedeutung.
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Verunreinigungen
wie bakterielle Keime können oxidativ aus verunreinigtem
Wasser entfernt werden. Diese Vorgehensweise ist ungeeignet für
die Entfernung von Ölen, Schwermetallen und anderen nicht
organischen Verunreinigungen aus Wasser. Ein weiteres Problem stellt
der für den Menschen ungenießbare natürliche
Salzgehalt des Meerwassers dar. Auch die darin enthaltenen Salze
lassen sich nicht oxidativ wie organische Bestandteile entfernen.
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Um
nicht organische Bestandteile vom Wasser zu trennen, muss man auf
Trennverfahren zurückgreifen, die aus der Chemie hinreichend
bekannt sind. Denkbar ist hier beispielsweise die Dialyse oder auch
absorbierende Trennverfahren. Praktikabel ist dabei auch die Destillation.
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Bei
der Destillation ist neben der Erwärmung des Wassers auch
die Verdampfungsenthalpie zu überwinden, die mit 2,3 kJ/kg
relativ hoch ist und unter Berücksichtigung der zusätzlich
für die Wassererwärmung von 30 auf 100°C
erforderlichen Energie, sogar etwa 2,55 kJ/kg beträgt.
Da der größte Teil auf die Verdampfung des Wassers
entfällt, hat sich im Maschinenbau auch die Technik einer
Verdampfungskühlung etabliert.
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Umgekehrt
sind die Energiemengen, die zur Verdampfung notwenig sind, beträchtlich,
weshalb fossile Energieträger die Reinigung des Wassers durch
Destillation erheblich verteuern. Aus diesem Grunde gibt es beispielsweise
auf der Insel Teneriffa eine durch Windkraft betriebene Meerentsalzungsanlage.
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Bekannt
sind auch solarbetriebene Anlagen. Bei diesen Anlagen wird entweder
die Sonnenenergie mit gängigen Solarkollektoren aufgefangen.
Die erwärmte Primärflüssigkeit gibt dann
die Energie an einer anderen Stelle an das Wasser ab, welches verdampft.
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Ein
anderes Prinzip ist das der Solardestille. Hierbei ist das Wasser
das Primärmedium im Kollektor. Es verdampft im nur gering
gefüllten Kollektorraum und kondensiert wieder an der darüber
liegenden Abdeckung, die durch Luft gekühlt ist. Die übliche
Isolierung des Kollektors entfällt hierbei.
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Das
Prinzip der Solardestille ist in der Literatur hinreichend beschrieben.
So wird in der
FR-A-2511667 eine
Solardestille, die durch eine optimierte Luftzirkulation die Wasserleistung
verbessert, offenbart. Hierbei wird der Kondensator durch das dem
Reservoir zuzuführende und zu reinigende Wasser zusätzlich
gekühlt.
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Auch
Schriften zur Optimierung der Leistung zeigen, dass ein Bedarf besteht
mit möglichst energiesparenden Mitteln Trinkwasser herzustellen.
So wird in der
DE-A-100
47 522 ein optimierter Aufbau einer Solardestille für
Meer- oder Brackwasser beschrieben, der es erlaubt mit 1 m
2 Kollektorfläche bis zu 20 l Trinkwasser
pro Tag zu erzeugen. Der Aufbau ist jedoch relativ kompliziert und
erfordert in jedem Fall Strom, um die Pumpen zu betreiben.
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In
der
DE-A-3612 188 wird
eine solare Meerwasserentsalzungsanlage beschrieben, die die Verdampfung
von Wasser in Gewächshäusern nutzt. Das Wasser
kondensiert innerhalb des Gewächshauses und liefert Trinkwasserqualität.
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Bekannte
als Solardestillen fungierende Vorrichtungen sind in der Regel aus
mehreren Materialien zusammengesetzt. Hierzu gehört eine
deckende Glasscheibe oder Folie, die als Kondensator dient, ein
Rahmen, üblicherweise aus Metall, Wasser führende
Elemente, ein Absorber, eine Isolation auf der von der Sonne abgewandten
Seite u. ä.. Die Größe der Vorrichtung
ist durch die vorgegebene Konstruktion bei der Fertigung endgültig
und lässt sich an die Anwendung nicht mehr anpassen. Durch
Verkopplung mehrerer solcher Vorrichtungen entsteht dabei zusätzlicher
Aufwand, gegebenenfalls Leckage und auch erhöhter Installationsbedarf
während der Montage. Ferner sind die handelsüblichen,
als Solardestille fungierenden, Vorrichtungen durch Einsatz von Materialien
mit hohen Dichten schwer. Ein weiteres Problem stellt – insbesondere
bei der Entsalzung von Meerwasser – die Aggressivität
des Wassers dar. Metallische Bauteile müssen entweder durch
Lacke oder Kunststoffbeschichtungen vor Korrosion geschützt
werden, oder es müssen teuere Legierungen verwendet werden,
die nicht vom Salzwasser angegriffen werden.
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Es
besteht daher die Aufgabe eine Wasseraufbereitungsanlage bereitzustellen,
die aus leichten, aber stabilen, nicht korrosionsanfälligen
und UV-resistenten Materialien besteht, deren Bauteile aber trotzdem
kostengünstig von variabler Größe gefertigt
werden können. Darüber hinaus sollte die Wasseraufbereitungsanlage
durch umweltfreundliche Energiequellen betrieben werden können.
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Gegenstand
der Erfindung ist daher eine Wasseraufbereitungsanlage (1)
für Meer-, Brack- oder kontaminiertes Wasser (1),
enthaltend eine Hohlkammerplatte (2), welche mindestens
zwei Gurtplatten (3a, 3b) aufweist, die durch
Stege (4), unter Ausbildung von benachbarten Hohlkammern
(5ab), voneinander auf Abstand gehalten sind, wobei die untere
Gurtplatte (3a) mit einer Absorptionsschicht (6)
ausgestattet ist, und an der oberen Stirnseite der Hohlkammerplatte
(2) Zuführungen (7a) für das
aufzubereitende Wasser (8) über die Gurtplatte
(3a), an der unteren Stirnseite entsprechend Abführungen (7b)
für das an der oberen Gurtplatte (3b) kondensierte
Wasser (9) sowie Abführungen (7c) für
das Restbrackwasser von der Gurtplatte (3a) angeschlossen
sind, und eine äußere Energiequelle zur Verdampfung
des Wassers vorhanden ist.
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Die
erfindungsgemäße Wasseraufbereitungsanlage wird
vorzugsweise mit Sonnenenergie betrieben, so dass in diesem Fall
die Hohlkammerplatte als Solardestille fungiert. Alternative Energiequellen
sind solche die Strahlungswärme erzeugen; geeignete Strahlungsquellen
sind beispielsweise Infrarot-Strahler oder Gaslampen.
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Hohlkammerplatten
sind auf dem Markt in den verschiedensten Ausführungsformen
und Materialien erhältlich. Hohlkammerplatten bestehen grundsätzlich
aus zwei oder mehreren Gurtplatten mit dazwischen liegenden Vertikal-
und/oder Diagonalstegen, wobei erfindungsgemäß bevorzugt
Hohlkammerplatten mit senkrechten Stegen verwendet werden.
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Diese
Struktur verleiht den Platten eine hohe Steifigkeit bei geringem
Eigengewicht und gute Wärmedämmenden Eigenschaften.
Aufgrund dieser Eigenschaften sowie der hohen Lichtdurchlässigkeit und
Witterungsbeständigkeit bei gutem Brandverhalten finden
Hohlkammerplatten üblicherweise Verwendung im gewerblichen
Bereich, z. B. für Gewächshäuser, Industrie-
und Sporthallen, und im privaten Bereich, z. B. für Pergolen-,
Terrassenüberdachungen und Wintergärten.
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Hohlkammerplatten
werden durch Extrusion mittels eines dem Querschnitt entsprechenden
Werkzeuges durch gleichzeitige Ausbildung der Außen- und
Mittelschichten (Außen- und Mittelgurte) und der Stege
erzeugt.
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Die
erfindungsgemäß zu verwendenden Hohlkammerplatten
werden vorteilhaft durch kontinuierliche Extrusion hergestellt.
Dadurch besteht gegenüber bekannten Solardestillen aus
anderen Materialien der Vorteil, dass ihre Länge den individuellen Bedürfnissen
angepasst werden kann und aufwändige Kopplungen zwischen
den einzelnen Solardestillen nicht erforderlich sind.
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Erfindungsgemäß werden
bevorzugt Hohlkammerplatten aus thermoplastischen transparenten Kunststoffen
wie Polystyrol, Polycarbonat, Polyvinylchlorid, Polyethylen, Polypropylen
und/oder Polymethylmethacrylat verwendet.
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Die
vorgenannten Kunststoffe haben sich im Lebensmittelbereich bereits
lange etabliert, so dass sie unbedenklich für die erfindungsgemäße
Wasseraufbereitungsanlage verwendet werden können. Auch
die Korrosionsbeständigkeit von diesen Kunststoffen gegenüber Meerwasser
und Sonnenlicht ist hervorragend. Je nach Kunststofftyp lässt
sich der Abbau überhaupt nur schwer nachweisen.
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Besonders
bevorzugt ist die Verwendung von Hohlkammerplatten aus Polymethylmethacrylat (PMMA).
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Hohlkammerplatten
aus Polymethylmethacrylat (PMMA) besitzen eine ausgezeichnete UV-Stabilität
und darüber hinaus eine hohe Lichttransmission, die auch
nach längerer Exposition in der Sonne erhalten bleibt.
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Es
ist von daher auch vorteilhaft die Anschlussteile (Wasserzuführung
und -abführung) aus PMMA herzustellen.
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Häufigste
Ausführungsform einer Hohlkammerplatte ist die Stegdoppel-/Stegdreifachplatte,
bei der die Stege in regelmäßigen Abständen
zueinander senkrecht zur Plattenebene verlaufen, so dass im Querschnitt
das Bild von sich aneinanderreihenden rechteckigen Kammern entsteht.
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Die
Dicke der Gurte ist im Allgemeinen unkritisch. Die Dicke soll jedoch
hinreichend groß sein, um eine ausreichende Gesamtstabilität
der Hohlkammerplatte zu gewährleisten. Ist die Dicke der
Gurte zu gering, so entstehen im Fertigungsprozess der Hohlkammerplatte
Schwankungen der Dicke, insbesondere in den Bereichen der Stege,
welche nach Möglichkeit zu vermeiden sind. Bevorzugt werden
daher Hohlkammerplatten verwendet, bei welchen die Dicke der Gurte
zwischen ca. 1 und 6 mm beträgt, insbesondere 1,0 bis 3,0
mm, vorzugsweise 1,5 bis 2,5 mm. Die Dicke der Gurte im Inneren
der Stegplatte ist in der Regel deutlich geringer und beträgt
vorzugsweise 0,2 bis 0,5 mm.
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Der
Abstand der Gurtplatten zueinander liegt bei Stegdreifachplatten
im Allgemeinen bei der halben Plattendicke und bei Stegvierfachplatten
im Allgemeinen bei einem Drittel der Plattendicke.
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Die
Stegabstände betragen im Allgemeinen 5 bis 40 mm, vorzugsweise
15 bis 33 mm, während die Dicke der Stege im Allgemeinen
1,0 bis 2,5 mm, vorzugsweise 1,2 bis 1,9 mm beträgt.
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Die
Abmessungen der am Rand liegenden Kammern können von den
sich wiederholenden Kammermaßen im Innern der Platte abweichen.
Sich wiederholende Strukturen und auch planparallele Gurtplatten
haben sich auf dem Markt durchgesetzt, sind aber für die
hier beschriebene Erfindung nicht notwendig. Denkbar sind auch nicht
rechtwinklige oder gerundete Kammerquerschnittsstrukturen von Stegplatten,
die für einige Ausprägungsformen auch in sich
verwunden sein können.
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Gegebenenfalls
können auch die Stege, vorzugsweise schwarz, gefärbt
sein.
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Die
Gurtplatten können aufgeraut oder durch Prägung
verformt sein, so dass sie eine oberflächenvergrößernde
Struktur aufweisen, wodurch das Auslaufen des Meer-, Brack- oder
kontaminierten Wassers vor dem Verdampfen verhindert wird (2). Zum
Erhalt einer solchen Struktur kann bei der Fertigung, gegebenenfalls
auch online, eine Strukturwalze eingesetzt werden.
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Zusätzlich
oder alternativ können die Gurtplatten mit einem wasserspreitenden
Lack zum Beispiel ALLTOP®-Lack
versehen sein.
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Bei
der Online-Fertigung der Hohlkammerplatten kann auch die erfindungsgemäße
Absorptionsschicht (6) und gegebenenfalls auch eine Isolationsschicht
(10) aufgebracht werden. Als Absorptionsschicht bietet
sich beispielsweise eine Lackierung mit vorzugsweise schwarzer Farbe
z. B. ein Methacrylatlack an. Es kann alternativ aber auch eine Metallplatte
oder eine eingefärbte Kunststoffplatte (z. B. PVC) verwendet
werden oder gegebenenfalls die mittlere Gurtplatte einer Stegdreifach-
oder Vierfachplatte schwarz eingefärbt sein.
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Die
Absorptionsschicht kann auf der von der Strahlungsquelle abgewandten
Seite mit einer Isolationsschicht (10) versehen sein, was
bevorzugt ist (1). Als Isolationsmaterial (10a)
wird vorzugsweise eine Schaumschicht z. B. aus PVC-Schaum und/oder
PU-Schaum eingesetzt. Durch Kombinationen von Isolationsmaterialien
können optimale Dämmeigenschaften eingestellt
werden.
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Als
Isolationsschicht (10) kann auch der Hohlkörper
einer weiteren Stegplatte fungieren, so dass man in diesem Fall
eine Hohlkammerplatte mit drei oder mehr Gurtplatten und Stegen
einsetzt. Die unteren Hohlkammern bleiben dann leer oder werden
optional – bei Bedarf online – mit dem vorgenannten
Isolationsmaterial gefüllt, beispielsweise ausgeschäumt,
oder geteilt durch Verwendung einer weiteren Stegplatte.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform können in der Hohlkammerplatte
(2) entlang der Stege Führungen (11),
beispielsweise durch Nähte oder Kanten, konstruiert sein, über
die das kondensierte Wasser (9) abgeführt wird
(3). Diese Führungen können auf
einfache Weise bereits bei der kontinuierlichen Herstellung der
Hohlkammerplatten konstruiert werden.
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Besonders
bevorzugt ist eine solare Wasseraufbereitungsanlage (1)
für Meer-, Brack- oder kontaminiertes Wasser (4),
bei welcher die Hohlkammerplatte (2) drei Gurtplatten (3a, 3b, 3d)
aufweist, die durch senkrechte Stege (4), unter Ausbildung
von benachbarten Hohlkammern (5ab, 5bd) voneinander
auf Abstand gehalten sind, wobei an der unteren Stirnseite der unteren
Gurtplatte (3a) nur Abführungen (7c)
für das Restbrackwasser angeschlossen sind und an der oberen
Stirnseite der Gurtplatte (3a) Zuführungen (7a)
für das aufzubereitende Wasser (8) und zusätzlich Überleitungen
(7d) für den Wasserdampf von den unteren Hohlkammern
(5ab) zu den aus der mittleren (3b) und der oberen
(3d) Gurtplatte gebildeten oberen Hohlkammern (5bd)
sowie an der unteren Stirnseite der oberen Hohlkammern (5bd)
an der Gurtplatte (3b) Abführungen (7b) für
das kondensierte Wasser (9) vorhanden sind.
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Die
unterste Gurtplatte (3a) ist mit einer Absorptionsschicht
(6) ausgestattet, welche auf der von der Sonne abgewandten
Seite mit einer Isolationsschicht (10) versehen sein kann.
Für diese Ausführungsform gilt bezüglich
der Materialien für die Hohlkammerplatte sowie für
die Absorptions- und die Isolationsschicht das zuvor Genannte.
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Weiterhin
kann die vorgenannte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
solaren Wasseraufbereitungsanlage so modifiziert sein, dass die Hohlkammerplatte
(2) eine Stegvierfachplatte ist, die eine zusätzliche,
sich unterhalb der Gurtplatte (3a) befindliche, Gurtplatte
(3c) aufweist, und die benachbarten Gurtplatten (3a, 3c)
durch senkrechte Stege (4), unter Ausbildung von Hohlkammern
(5ac), voneinander auf Abstand gehalten sind, und wobei
diese untersten Hohlkammern (5ac) gegebenenfalls mit einem
Isolationsmaterial (10a) gefüllt sind (5).
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Die
erfindungsgemäße Wasseraufbereitungsanlage kann
ortsungebunden unter unterschiedlichen Geländebedingungen
in beliebiger Exposition aufgestellt werden, sofern Zu- und Ableitungen
und ein entsprechender Wasserdruck einzurichten sind. In den meisten
Fällen wird die Wasseraufbereitungsanlage auf Hausdächern
verwendet, gegebenenfalls aber auch auf einem schwimmenden Tank (6).
Dies ist von Vorteil, wenn an Land nur ein eingeschränktes
Platzangebot besteht oder große Höhenunterschiede
für die Zufuhr des aufzubereitenden Wassers durch die dann
erforderlichen Pumpen überwunden werden müssen,
beispielsweise im Bereich von Steilküsten. Das Wasser,
welches durch die, auf dem schwimmenden Tank befindliche, erfindungsgemäße
Wasseraufbereitungsanlage, gewonnen wurde, kann dann problemlos
an Land entleert werden.
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Das
aufbereitete Wasser, welches als Kondenswasser erhalten wird, ist
von Salzen und Mineralien befreit und sollte beim Gebrauch als Trinkwasser
beispielsweise durch einen Zusatz von Elektrolyten konditioniert
werden.
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Gegenstand
der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Wasseraufbereitung
von für Meer-, Brack- oder kontaminiertem Wasser durch
Solarenergie, wobei das Meer-, Brack- oder kontaminierte Wasser
in eine Wasseraufbereitungsanlage gemäß einem
der Ansprüche 1 bis 11 überführt wird,
durch die Solarenergie verdampft und durch Verdunstungskühlung
kondensiert wird, und dann das kondensierte aufbereitete Wasser
abgetrennt wird.
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Figurenkurzbeschreibung:
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1:
Schnitt durch eine Stegdoppelplatte senkrecht zur Gurtebene und
parallel zu den Stegen, die an der Unterseite einen Isolationskörper
besitzt.
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2:
Ausschnittvergrößerung von 1
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3:
Schnitt durch eine Stegdoppelplatte senkrecht zur Gurtebene und
senkrecht zu den Stegen. Der resultierende Querschnitt der Hohlkammerplatte
weist eine kondensatführende Struktur auf.
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4:
Schnitt durch eine Stegdreifachplatte senkrecht zur Gurtebene und
parallel zu den Stegen, die an der Unterseite einen Isolationskörper
besitzt.
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5:
Schnitt durch eine Stegvierfachplatte senkrecht zur Gurtebene und
parallel zu den Stegen, die in der unteren Kammerebene mit einem
Isolationskörper gefüllt ist.
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6:
Schnitt durch eine im Brack-, bzw. Seewasser schwimmende Wasseraufbereitungsanlage
senkrecht zur Gurtebene und parallel zu den Stegen. Die Anlage wird
durch eine Pumpe (⊗) betrieben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - FR 2511667
A [0009]
- - DE 10047522 A [0010]
- - DE 3612188 A [0011]