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Die
Erfindung betrifft eine Wärmepumpe mit Hohlkörpern,
die jeweils mindestens eine erste Zone und mindestens eine zweite
Zone umfassen, zwischen denen ein Arbeitsmittel reversibel verlagerbar ist,
wobei ein Gleichgewicht des Zusammenwirkens des Arbeitsmittels mit
jeder der Zonen von thermodynamischen Zustandsgrößen
abhängt.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2006 028 372 A1 ist
ein Wärmeübertrager, insbesondere ein Sorptions-Reaktions-
und/oder Wärmerohr mit einer Vielzahl von Fasern bekannt,
wobei eine Mehrzahl der Fasern mit ihrem einen Ende an oder in der
Wand angebracht sind. Das andere Ende der Fasern ist beabstandet
von der Wandoberfläche angeordnet. Der Wärmeübertrager
umfasst eine Verdampfungszone, die versetzt zu einer Adsorptionszone
angeordnet ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu verbessern.
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Die
Aufgabe ist bei einer Wärmepumpe mit Hohlkörpern,
die jeweils mindestens eine erste Zone und mindestens eine zweite
Zone umfassen, zwischen denen ein Arbeitsmittel reversibel verlagerbar ist,
wobei ein Gleichgewicht des Zusammenwirkens des Arbeitsmittels mit
jeder der Zonen von thermodynamischen Zustandsgrößen
abhängt, dadurch gelöst, dass die Hohlkörper
jeweils eine erste Wirkfläche mit der ersten Zone aufweisen,
die einer zweiten Wirkfläche mit der zweiten Zone gegenüberliegt.
Die direkt gegenüberliegenden Wirkflächen sind
nur durch einen schmalen Spalt voneinander getrennt. Das hat den
Vorteil, dass sich bei einem Nutzungsprozess der Wärmepumpe
gleichzeitig ablaufende Prozesse der Adsorption und Verdampfung
sowie die bei einem Regenerationsprozess der Wärmepumpe gleichzeitig
ablaufende Prozesse der Desorption und Kondensation in direkter
Nachbarschaft abspielen, wodurch hohe Strömungsgeschwindigkeiten,
Druckverluste und eventuelle Mitrisseffekte von flüssigen Arbeitsmittelanteilen
minimiert werden.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkflächen eben und
im Wesentlichen rechteckig sind. Die Wirkflächen sind vorzugsweise
parallel zueinander angeordnet und deckungsgleich voneinander beabstandet.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Wirkflächen
ein im Wesentlichen quaderförmiger Hohlraum angeordnet
ist. Vorzugsweise ist der quaderförmige Hohlraum an seinem
Umfang vollständig geschlossen.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper als geschlossene
Rohre oder Platten mit einem im Wesentlichen quaderförmigen Hohlraum
ausgeführt sind. In dem quaderförmigen Hohlraum
ist das Arbeitsmittel zwischen den gegenüberliegenden Wirkflächen
verlagerbar.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper gleich
ausgeführt sind. Dadurch wird die Herstellung der Hohlkörper
vereinfacht.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Hohlkörper
spiegelsymmetrisch an entgegengesetzten Wärmeübergangsflächen
von Fluiddurchtrittsbereichen angeordnet sind. Die Fluiddurchtrittsbereiche
sind jeweils zwischen zwei spiegelsymmetrisch verdrehten Hohlkörpern
angeordnet.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Hohlkörpern
abwechselnd Durchtrittsbereiche erster Art zur Durchströmung
mit einem ersten Fluid zum Wärmeaustausch mit den ersten
Zonen und Durchtrittsbereiche zweiter Art zur Durchströmung
mit einem zweiten Fluid zum Wärmeaustausch mit den zweiten
Zonen angeordnet sind. Bei dem ersten Fluid handelt es sich zum
Beispiel um ein Wasser-Glykol-Gemisch. Bei dem zweiten Fluid handelt
es sich zum Beispiel um Luft. Die Durchtrittsbereiche werden zum
Beispiel von Flachrohren gebildet.
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In
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel bilden die
Wände der Hohlkörper gleichzeitig die Begrenzungsflächen
der Durchtrittsbereiche erster und zweiter Art, die mit Stegen,
Wellrippen, Turbulenzblechen beabstandet und oder seitlich verschlossen
werden. Dies hat den Vorteil, dass der Wärmetransport zwischen
den Hohlkörpern und den die Durchtrittsbereiche durchströmenden
Fluide verbessert wird.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegenden
Zonen eines Hohlkörpers thermisch voneinander entkoppelt
sind. Dadurch werden Wärmeströme zwi schen unterschiedlich
warmen gegenüberliegenden Zonen eines Hohlkörpers
minimiert.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper mit einer
Stützstruktur ausgestattet sind. Die Stützstruktur
dient dazu, Druckunterschiede gegenüber der Umgebung abzustützen.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder Hohlkörper mindestens
eine Adsorptions-/Desorptionszone und mindestens eine Verdampfungs-/Kondensationszone
umfasst. Bei der Wärmepumpe handelt es sich insbesondere
um eine Adsorptionswärmepumpe beziehungsweise eine Adsorptionskälteanlage.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wirkfläche mit
einer Adsorberstruktur versehen ist, welche die erste Zone bildet.
Die Adsorberstruktur oder Adsorberschicht umfasst zum Beispiel Aktivkohle.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wirkfläche
mit einer Kapillarstruktur versehen ist, welche die zweite Zone
bildet. Die Kapillarstruktur dient dazu, kondensiertes Fluid aufzufangen
und über die ganze Fläche verteilt im guten thermischen
Wandkontakt zu halten.
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Unter
einem Fluid im Sinne der Erfindung wird grundsätzlich jede
fließfähige Substanz verstanden, insbesondere
ein Gas, eine Flüssigkeit, ein Gemisch aus gasförmiger
und flüssiger Phase oder ein Gemisch aus flüssiger
und fester Phase (zum Beispiel flow-ice). Unter dem Zusammenwirken
des Arbeitsmittels mit der ersten und der zweiten Zone wird jede
Art einer thermodynamisch relevanten exothermen oder endothermen
Umsetzung des Ar beitsmittels mit oder in der Zone verstanden, bei
der insbesondere ein Wärmeaustausch zwischen der jeweiligen
Zone und dem die Zone umströmenden Fluid stattfindet. Als
konkretes Beispiel sei genannt, dass die erste Zone ein Adsorber-Desorber-Material
enthalten kann, z. B. Zeolith, wobei das Arbeitsmittel Wasser sein
kann, welches insbesondere in der zweiten Zone in Kapillar-Strukturen
kondensierbar oder verdampfbar ist. Alternativ können in
den Zonen zum Beispiel auch unterschiedliche Metalle vorliegen,
wobei das Arbeitsmittel z. B. Wasserstoff ist, so dass unter Wärmeaufnahme
und/oder Wärmeabgabe eine Bildung oder Auflösung
von Metallhydriden in den Zonen stattfindet. Das Zusammenwirken
des Arbeitsmittels mit den Zonen kann sowohl eine Physisorption
als auch eine Chemisorption oder eine andere Art des Zusammenwirkens
umfassen. Unter einem Hohlkörper oder Hohlelement im Sinne
der Erfindung ist jedes Element zu verstehen, innerhalb dessen ein Transport
des Arbeitsmittels möglich ist.
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Ein
Beispiel für den Einsatz einer erfindungsgemäßen
Wärmepumpe ist die Gebäudetechnik. Dort kann die
mit einem Brenner erzeugte Heizleistung dazu benutzt werden, zusätzlich
Umweltwärme auf ein für Heizzwecke nutzbares Temperaturniveau zu
heben. Weiterhin kann die Wärmepumpe zum Beispiel in Verbindung
mit einem Blockheizkraftwerk eingesetzt werden, um den Gesamtwirkungsgrad
zu erhöhen. Im Winter kann die Wärmepumpe zum
Beispiel zur effektiveren Nutzung des im Kühlmittel und/oder
Abgas enthaltenen Wärmestroms zu Heizungszwecken eingesetzt
werden, indem zusätzliche Wärme vom Außentemperaturniveau
auf ein für die Heizung nutzbares Niveau gepumpt wird.
Im Sommer kann die gleiche, eventuell leicht modifizierte oder auch
nur anders eingestellte Anlage zur Kühlung des Gebäudes
verwendet werden, indem ebenfalls der Abwärmestrom des
Stromerzeugers zum Antrieb der Kühlung genutzt wird. Es
kann sich aber auch um eine Nutzung von thermischer Solarenergie zur
Kälteerzeugung mittels der Wärmepumpe handeln.
Ebenso kann die erfindungsgemäße Wärmepumpe
grundsätzlich auch wie in der
DE 198 18 807 A1 beschrieben zur
Klimatisierung von insbesondere Nutzfahrzeugen eingesetzt werden.
Andere denkbare Anwendungen sind die Nutzung von Fernwärme im
Sommer zur Kälteerzeugung beziehungsweise Klimatisierung
oder die Abwärmenutzung von Industrie-Feuerungsanlagen
zur Erzeugung von Klimatisierungs- oder Prozesskälte. Allgemein
zeichnet sich eine erfindungsgemäße Wärmepumpe
durch hochgradige Wartungsfreiheit und Zuverlässigkeit
aus. Es besteht eine hohe Flexibilität bei der Auswahl
des ersten und zweiten Fluids, die nicht gleich sein müssen
und sich zum Beispiel für einen Sommereinsatz und einen
Wintereinsatz unterscheiden können.
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In
einer bevorzugten Ausführung der Wärmepumpe ist
diese eine Adsorptions-Wärmepumpe, wobei das Arbeitsmittel
in der ersten Zone adsorbierbar und desorbierbar ist und in der
zweiten Zone verdampfbar und kondensierbar ist. In einer alternativen bevorzugten
Ausführung ist das Arbeitsmittel zumindest in der ersten
Zone reversibel chemisorbierbar. Es kann sich bei der Wärmepumpe
auch um ein gemischtes Prinzip handeln, etwa in dem Sinne, dass einige
Hohlelemente oder Hohlkörper nach dem Adsorber-Prinzip
(Physisorption) arbeiten und andere Hohlelemente oder Hohlkörper
eine Chemisorption aufweisen.
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In
bevorzugter Weiterbildung einer erfindungsgemäßen
Wärmepumpe weisen die Strömungswege eine erste
Gruppe von zumindest zwei benachbarten Strömungswegen und
eine zweite Gruppe von zumindest zwei benachbarten Strömungswegen
auf, wobei die Strömungswege der ersten Gruppe sämtlich
in einer ersten Richtung und die Strömungswege der zweiten
Gruppe sämtlich in hierzu entgegengesetzter Richtung durchströmt
werden. Hierdurch ist es ermöglicht, die einzelnen Strömungswege
einer Gruppe unterschiedlichen Temperaturen des Fluids zuzuordnen,
so dass ein Wärmeaustausch mit den Hohlelementen bei gegebener Baugröße
beziehungsweise Kontaktfläche von Fluid und Hohlelement
durch Anpassung an das dort vorliegende Temperaturprofil verbessert
ist. Eine Verbesserung wird dabei so wohl durch die Gleichrichtung
der Fluidströmung innerhalb einer Gruppe als auch durch
die Entgegenrichtung der beiden Gruppen zueinander erzielt, wodurch
der Umkehrung des Temperaturgangs bei Wärmeabgabe gegenüber Wärmeaufnahme
Rechnung getragen wird.
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In
bevorzugter Ausgestaltung umfasst ein Plattenelement eine Anzahl
von parallelen stirnseitig geschlossenen Flachrohren, wobei jedes
der Flachrohre ein Hohlelement mit erster und zweiter Zone ausbildet.
Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung
einer Wärmepumpe, wobei die Form der Flachrohre einem Wärmeaustausch
bei gegebener Baugröße zugute kommt. Insbesondere
vorteilhaft sind die Flachrohre hermetisch voneinander getrennt.
Hierdurch wird es in besonderem Maße ermöglicht,
dass unterschiedliche Hohlelemente oder Flachrohre des gleichen
Plattenelements unterschiedliche Temperaturen und Drücke
aufweisen, was bei geeigneter Stufung der Temperaturen in Verbindung
mit geeigneter Flussrichtung des Fluids entlang der Plattenelemente
zu einem wiederum verbesserten Wärmeaustausch bei gegebener
Bauraumgröße führt.
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Weiterhin
bevorzugt ist zwischen zwei der Plattenelemente eine Hohlplatte
angeordnet, deren Hohlraum einem der Durchtrittsbereiche zugeordnet ist,
wobei die Hohlplatte in flächiger thermischer Verbindung,
insbesondere Verlötung, mit den benachbarten Plattenelementen
steht. Hierdurch ist ein modulartiger Aufbau eines Stapels aus Plattenelementen
und Durchtrittsräumen auf einfache und kostengünstige
Weise ermöglicht, wobei die Anzahl speziell gefertigter
aufwendiger Bauteile gering gehalten wird. Besonders bevorzugt ist
dabei zwischen zwei Plattenelementen eine Hohlplatte erster Art
angeordnet, welche einen Durchtrittsbereich erster Art ausbildet
und eine von der Hohlplatte erster Art im Wesentlichen thermisch
getrennte Hohlplatte zweiter Art, welche einen Durchtrittsbereich
zweiter Art ausbildet. Auf diese Weise wird unter weiterer Verwendung standardisierter
Bauteile zugleich die Ausbildung einer thermischen Trennung zwischen
den beiden Arten von Durchtrittsbereichen erreicht. Die Hohlplatten erster
und zweiter Art müssen nicht notwendig die gleiche Dicke
aufweisen, was durch entsprechende Ausformung der Plattenelemente
beziehungsweise Hohlelemente kompensiert werden kann; so kann zum
Beispiel die Hohlplatte erster Art für ein flüssiges Fluid
und die Hohlplatte zweiter Art für ein gasförmiges
Fluid angepasst dimensioniert sein.
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Weiterhin
bevorzugt sind zumindest zwei jeweils endseitig der Plattenelemente
angeordnete und einer Verteilung des zweiten Fluids durch die Durchtrittsbereiche
zweiter Art zugeordnete Verteilvorrichtungen mit jeweils einem feststehenden
Hohlzylinder und einem in dem Hohlzylinder drehbaren Verteilereinsatz
vorgesehen. Hierdurch wird eine hinsichtlich des Wärmeaustausches
optimierte Verteilung des zweiten Fluids auf die Durchtrittsbereiche
auf einfache Weise ermöglicht. Besonders bevorzugt weist dabei
der Verteilereinsatz der Verteilvorrichtungen für das zweite
Fluid Trennwände auf, die in zumindest einem der Zylinder
zumindest drei separate wendelförmige Kammern abtrennen,
wobei durch jede der Kammern ein zumindest einen Durchtrittsbereich zweiter
Art umfassender Strömungsweg definiert ist. Hierdurch ist
auch für den Wärmeaustausch des zweiten Fluids
mit den zweiten Zonen eine Optimierung bei gegebenem Bauraum ermöglicht.
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In
bevorzugter Ausführung weisen die insbesondere, aber nicht
notwendig spiralig ausgeformten Trennwände Fahnen oder
andere Verschlussmittel auf, mittels derer ein zeitweiser Verschluss
zumindest eines Strömungsweges bewirkbar ist. Durch einen
solchen zeitweisen Verschluss eines Strömungsweges hinsichtlich
des Fluidaustausches kann je nach Ausbildung der Wärmepumpe
die Effektivität eines Wärmeaustausches bei gegebener
Baugröße weiterhin verbessert werden, indem Bypass-Strömungen
verhindert werden.
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In
einer alternativen Ausführung kann zur Vermeidung von Bypasströmungen
der Verteileinsatz schrittweise so bewegt werden, dass die die Zeitdauer,
in der zwei Gruppen von Durchtrittsbereichen gleichzeitig geöffnet
sind, relativ schnell überstrichen wird und der Verteileinsatz
dann für eine gewisse Zeit in einer Position verharrt,
in der nur eine Verbindung zu einer Gruppe von Durchtrittsbereichen
besteht.
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In
einer bevorzugten Ausbildung einer Wärmepumpe weist der
Verteilereinsatz einen Anschlussbereich mit radialen Durchbrechungen
auf, wobei über die jeweils mit einer Kammer fluchtende Durchbrechung
ein Fluidaustausch der Kammer erfolgt. Hierdurch ist ein einfacher
Anschluss der wendelförmigen Kammer mit einer äußeren
Fluidführung auch dann ermöglicht, wenn eine große
Anzahl von separaten Kammern vorliegt. In besonders einfacher Ausbildung
erfolgt dabei der Fluidaustausch mehrerer der wendelförmigen
Kammern über eine entsprechende Anzahl der Durchbrechungen
mit einem mehrteiligen Anschlussraum, der den Zylinder zumindest
teilweise umfängt. Weiterhin bevorzugt ist ein Anschlussraum
des ersten Zylinders mit einem Anschlussraum des zweiten Zylinders über
eine Anzahl voneinander separierter Kanäle verbunden. Somit
ist insgesamt eine besonders aufwendige Führung einer großen
Anzahl von Strömungswegen mit einfachen und kostengünstigen
Mitteln ermöglicht.
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Weiterhin
bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass jeder der Verteilereinsätze
zu den anderen Verteilereinsätzen synchronisiert antreibbar
drehbar ist. Eine phasengerechte Synchronisierung der Drehbewegung
der Verteilereinsätze ist allgemein für eine wirkungsvolle
Funktion der Wärmepumpe erforderlich. Vorteilhafterweise
sind die beiden Verteilereinsätze des ersten und die beiden
Verteileinsätze des zweiten Fluids in ihrer Phasenlage
jeweils so positioniert sind, dass sich die mit den Kammern kommunizierenden
Strömungsbereiche decken. In bevorzugter Ausführung
kann dabei eine Verteilvorrichtung des zweiten Fluids gegenüber
einer Verteilvorrichtung des ersten Fluids bezüglich einer
Phasenlage eines Verteilzyklus einstellbar veränderbar
sein. Dies kann insbesondere über eine Phasenlage der Verteilereinsätze
geschehen. Durch die Einstellbarkeit der Phasenlage ist eine weitere
Optimierung der Wärmepumpenleistung ermöglicht.
Allgemein kann eine Optimierung der Phasenlage in Abhängigkeit
der mittleren Temperaturen der Fluide, der Art der Wirkungsweise
der Hohlelemente und der Art des Arbeitsmittels, der Art der Fluide
und weiterer Parameter der Wärmepumpe die Wirkungsweise
verbessern.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung sind die gewendelten oder
wenigstens abschnittsweise geraden Kammersektoren ungleich über
den gesamten Kreisumfang verteilt. Hierdurch wird erreicht, dass über
einen Zyklus beziehungsweise eine Umdrehung des Verteileinsatzes
eine veränderliche Anzahl von Durchtrittsbereichen mit
der jeweiligen Kammer verbunden wird beziehungsweise der durch die Kammer
definierte Strömungsweg eine veränderliche Breite
hat, was im Einzelfall zu einer Optimierung der Wärmepumpenleistung
bei gegebenem Bauraum führen kann.
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Allgemein
können mehrere hermetisch voneinander getrennte Hohlelemente
oder Hohlkörper vorgesehen sein, wobei wenigstens zwei
der Hohlelemente unterschiedliche Arbeitsmittel und/oder Sorptionsmittel
aufweisen. Grundsätzlich ist eine erfindungsgemäße
Wärmepumpe nicht auf einheitliche Stoffsysteme in jedem
der Hohlelemente beschränkt.
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Zur
allgemeinen Verbesserung der thermischen Austauschleistungen ist
es bevorzugt vorgesehen, dass die Strömungswege des ersten
Fluids im Vergleich zu den über identische Hohlelemente
zugeordneten Strömungswegen des zweiten Fluids in entgegengesetzter
Richtung durchströmt werden.
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In
einer ersten zweckmäßigen Bauweise ist es vorgesehen,
dass die Trennwände des Verteilereinsatzes spiralig ausgeformt
sind, und dass die abgetrennten Kammern wendelförmig sind.
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In
einer alternativen zweckmäßigen Ausführungsform
verlaufen die Trennwände des Verteilereinsatzes im Wesentlichen
gerade über die Länge des Verteilereinsatzes.
Auf diese Weise sind die Verteilereinsätze einfach und
kostengünstig herstellbar, insbesondere als zumindest abschnittsweise
im Wesentlichen prismatische Körper. Diese können
zum Beispiel als gegebenenfalls nachbearbeitete Strangpressprofile
oder Spritzgussteile hergestellt werden. Zur einfachen Bereitstellung
der mehreren Strömungswege weist der Hohlzylinder dabei
eine Mehrzahl von Durchrechungen auf, wobei in axialer Richtung
aufeinander folgende Durchbrechungen jeweils um einen Winkel versetzt
zueinander angeordnet sind. Hierdurch ist in konstruktiv einfacher
Weise eine zyklische Folge von Strömungswegen realisiert,
die durch Drehen des geraden Verteilereinsatzes in Stapelrichtung
der Hohlelemente wandern.
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Bei
einer besonders geeigneten konstruktiven Detaillösung weist
der den Verteilereinsatz umfangende Hohlzylinder dabei eine innere
und eine äußere Wandung auf, wobei zwischen den
beiden Wandungen mehrere axial nacheinander angeordnete Ringkammern
ausgebildet sind. Hierdurch ist insbesondere ein einfacher Anschluss
der Hohlzylinder an den Stapel aus Plattenelementen beziehungsweise Hohlelementen
oder Hohlkörpern ermöglicht. Besonders bevorzugt
sind dabei die Ringkammern als in axialer Richtung stapelbare Ringkammermodule ausgebildet.
Hierdurch lässt sich durch Verwendung von Gleichteilen
eine kostengünstig angepasste Herstellung von Hohlzylindern
beziehungsweise Verteilvorrichtungen unterschiedlicher Länge
beziehungsweise Wärmepumpen unterschiedlicher Größe
erzielen.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Wärmepumpe
ist zur Optimierung der Leistungsfähigkeit bei gegebenem
Bauraum eine Verteileinrichtung für das zweite Fluid vorgesehen, wobei
das zweite Fluid mittels der Verteilvorrichtung über mehrere
Strömungswege durch die Durchtrittsbereiche zweiter Art
geleitet wird. Besonders bevorzugt bildet. dabei einer der Strömungswege
eine geschlossene und von den übrigen Strömungswegen des
zweiten Fluids separierte Schleife aus. Der geschlossene Strömungsweg
hat dabei vorteilhaft eine kleinere Breite in der Stapelrichtung
als ein benachbarter Strömungsweg, wobei der geschlossene
Strömungsweg insbesondere zur Zwischentemperaturverdampfung
und/oder Zwischentemperaturkondensation geführt ist. Durch
eine solche Führung des geschlossenen Strömungswegs
wird eine innere thermische Kopplung einer Verdampfungs- und einer Kondensationszone
der Wärmepumpe ausgebildet, wodurch insbesondere noch Wärmequellen
mit tiefer liegenden Temperaturbereich genutzt werden können.
In zweckmäßiger Detailgestaltung umfasst dabei
der geschlossene Strömungsweg ein Pumpenglied zur Förderung
des Fluids.
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Diese
Ausführungsform nutzt die Möglichkeit, nur mittels
der Fluidsteuerung eine Art Kaskadenschaltung zu realisieren, entweder
um die erforderliche Desorptionstemperatur abzusenken und/oder den
Temperaturabstand zwischen minimaler Adsorptionstemperatur und Verdampfungstemperatur
(Temperaturhub) zu vergrößern. Dies wird dadurch
erreicht, dass in den Fluidverteilzylindern zur Fluidsteuerung der
Phasenwechselzone zwischen den Verteilkammern für die Kondensation
und für die Verdampfung Zwischenkammern vorgesehen werden,
durch die ein zusätzlicher kleiner Kreislauf zirkuliert.
Dadurch wird bewirkt, dass ein Wärmeübertrag von
der Kondensations-Endphase auf die Verdampfungs-Endphase erfolgt,
indem kaltes Fluid zur Kondensatorkühlung verwendet wird.
Dies bewirkt eine Druckabsenkung am Ende der Desorptions-/Kondensationsphase
wodurch eine Absenkung der zur vollständigen Desorption
benötigten Temperatur bewirkt wird. Die damit verbundene
Druckanhebung am Ende der Adsorptions- /Verdampfungsphase bewirkt eine
Anhebung der benötigten Adsorptionstemperatur. Diese Effekte
können auch zur Erhöhung der effektiv genutzten
Beladungsbreite des eingesetzten Adsorptions beziehungsweise Reaktionsmittels
dienen.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgend
Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene
Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines Hohlkörpers, der an einem
Ende aufgeschnitten ist;
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2 eine
schematische Darstellung einer Wärmepumpe beziehungsweise
einer Adsorptionswärmepumpe mit gegenüberliegenden
aktiven Flächen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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3 eine
schematische Darstellung einer Wärmepumpe beziehungsweise
einer Adsorptionswärmepumpe mit einer Kreuzstromführung;
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4 eine
schematische Darstellung einer Wärmepumpe beziehungsweise
einer Adsorptionswärmepumpe mit gegenüberliegenden
aktiven Flächen gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel im Schnitt;
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5 die
Adsorptionswärmepumpe aus 4 in einem
um 90 Grad versetzten Schnitt und
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6 eine
schematische Darstellung einer Wärmepumpe beziehungsweise
einer Adsorptionswärmepumpe mit einer Gegenstromführung.
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Die
Effizienz der Primärenergienutzung kann bekanntermaßen
durch Kraft-Wärmekopplung gesteigert werden. Die Durchsetzung
dieser Technik wird jedoch dadurch behindert, dass in den meisten Einsatzgebieten
in den warmen Sommermonaten zu wenig Wärmeabnehmer vorhanden
sind. Da die alleinige Erzeugung von Strom zu unrentabel ist, lohnt sich
diese Technik daher nur bei Objekten mit ganzjährigem Wärmebedarf,
zum Beispiel Krankenhäuser, Sportstätten, Schwimmbäder
usw. Andererseits steigt der Bedarf zur Raumklimatisierung weltweit stark
an, was die Stromnetze an heißen Tagen bis an die Belastungsgrenze
bringt.
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Interessant
werden daher Konzepte, die das Stromnetz im Sommer entlasten, indem
sie kostengünstige solar erzeugte Wärme oder Abwärme
von Blockheizkraftwerken oder sonstige industrielle Wärmequellen
zu Kühl- oder Klimatisierungszwecken nutzen.
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Auch
zur Beheizung von Häusern im Winter ist eine reine Verfeuerung
fossiler Primärenergieträger ohne gleichzeitige
Nutzung des Exergieinhaltes zukünftig kaum mehr verantwortbar.
Es sind also auch neue Heizsysteme gefragt, die entweder regenerative
Energien, zum Beispiel thermische Solarenergie, nutzen oder zunehmend
auch den Exergieinhalt der wertvoller werdenden Brennstoffe ausnutzen.
Beispiele dafür sind die bereits genannten Blockheizkraftwerke
oder Wärmepumpen, die zusätzliche Umweltwärme
auf ein für Heizzwecke ausreichendes Temperaturniveau heben.
Zur letztgenannten Klasse von Systemen gehören auch thermisch
angetriebene Wärmepumpen.
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Neben
den bekannten elektrisch oder verbrennungsmotorisch angetriebenen
Kompressions-Wärmepumpen beziehungsweise Kälteanlagen sind
auch so genannte thermisch angetriebene Systeme wie Absorptions-
und Adsorpti ons-Wärmepumpen beziehungsweise Kälteanlagen
und Dampfstrahl-Kälteanlagen bekannt.
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Die
vorliegende Anmeldung bezieht sich konkret auf eine Adsorptionswärmepumpe
beziehungsweise -Kälteanlage entsprechend der deutschen
Patentanmeldung
DE 10 2006
059 504.1 . Die dort vorgeschlagene und beschriebene Vorrichtung basiert
auf so genannten Sorptionsrohren beziehungsweise Sorptionsplatten,
die mindestens eine Adsorptions-/Desorptionszone und eine Verdampfungs-/Kondensationszone
umfassen. Die Funktion und eine mögliche interne Ausstattung
solcher Sorptionsrohre oder Platten ist zum Beispiel in der
DE 10 2006 028 372
A1 beschrieben.
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Der
Wärmepumpprozess wird dadurch erzeugt, dass der in den
Sorptionsrohren ablaufende Nutz- und Regenerationsprozess mit den
gleichzeitig ablaufenden Teilprozessen Adsorption und Verdampfung
beziehungsweise Desorptions und Kondensation zwar bei gleichen Drücken
jedoch unterschiedlichen Temperaturen ablaufen. Durch periodisch wechselnde
Anbindung einer Mehrzahl derartiger Sorptions- oder Reaktionsrohre
an geeignete Wärmequellen und Wärmesenken kann
ein quasikontinuierlicher Wärmepumpprozess erzeugt werden.
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Bei
diesen oder ähnlich intern ausgestatteten Sorptions- oder
Reaktionsrohren kann das Problem auftreten, dass bereits geringe
Fremdgasanteile die Kinetik des Nutz- und Regenerationsprozesses spürbar
verschlechtern, weil sie die Ausbildung einer reinen Dampfströmung
von Arbeitsmittel und die antreibenden Sorptionsprozesse behindern
und/oder stofftransportbehindernde Schichten aus Inertgas unmittelbar
vor den Grenzflächen zu den Adsorberstrukturen aufbauen.
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Weiterhin
kann das Problem auftreten, dass eine hohe Dampfgeschwindigkeit
an der Oberfläche des mittels Kapillarstruktur gehaltenen
Flüssigkeits films feinste Flüssigkeitströpfchen
mit sich in die Sorptionszone reißt. Mitgerissene Flüssigkeitsanteile können
die Wärmepump-Leistung derartiger Rohre oder Platten signifikant
verschlechtern.
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Die
Erfindung lehrt den Einsatz von flächigen Hohlkörpern,
insbesondere Sorptionsrohren oder -platten, bei denen die Adsorberbeschichtung
für den Adsorptions-/Desorptionsprozess und die Kapillarstruktur
für den Verdampfungs-/Kondensationsprozess an im Wesentlichen
gegenüberliegenden Flächen angeordnet sind. Die
beim Nutzprozess gleichzeitig ablaufenden Prozesse der Adsorption
und Verdampfung sowie die beim Regenerationsprozess gleichzeitig
ablaufende Desorption und Kondensation spielen sich also in direkter
nur über einen Spalt getrennter Nachbarschaft ab.
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In 1 ist
ein Hohlkörper 1 perspektivisch und an einem Ende
aufgeschnitten dargestellt. Der Hohlkörper 1 wird
von einem geschlossenen Flachrohr gebildet, das innen hohl ist und
auch als Platte oder Plattenelement bezeichnet wird. In dem Hohlkörper 1 ist
eine erste Zone 4 und eine zweite. Zone 5 vorgesehen.
Die erste Zone 4 ist an einer ersten Wirkfläche 6 im
Inneren des Flachrohrs 2 vorgesehen. Die zweite Zone 5 ist
an einer zweiten Wirkfläche 7 im Inneren des Flachrohrs 2 vorgesehen.
An der ersten Wirkfläche 6 ist eine Adsorberstruktur 8 angebracht.
Bei der Adsorberstruktur 8 handelt es sich zum Beispiel
um Aktivkohle. An der zweiten Wirkfläche 7 ist
eine Kapillarstruktur 9 angebracht. Gemäß einem
wesentlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die beiden Zonen 4, 5 unmittelbar
gegenüberliegend angeordnet und nur durch einen Hohlraum 10 voneinander
getrennt. Der Hohlraum 10 hat im Wesentlichen die Gestalt
eines Quaders.
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Das
Flachrohr 2 ist vorzugsweise aus zwei spiegelsymmetrisch
aufgebauten Schalen gebildet, die miteinander rundum durch Fügeverbindungen 11 bis 13 gasdicht
verbunden und mit einem Arbeitsmittel gefüllt sind. Um
die Wärmeflüsse von der sorbensbeschichteten wärmeren
Zone 4 zu der kühle ren Zone 5 und der
Kapillarstruktur 9 zu minimieren, sind die gegenüberliegenden
Wirkflächen 6, 7 mit geeigneten Maßnahmen
thermisch entkoppelt. Weiterhin kann der Hohlkörper Stützmittel
aufweisen, um Differenzdrücke zum Umgebungsdruck abzufangen. Auch
diese Stützmittel besitzen vorzugsweise eine sehr geringe
Wärmleitfähigkeit.
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Die
Ausführung der Hohlkörper 1, die auch als
Sorptionsplatten oder Sorptionsrohre bezeichnet werden, erfordert
einen modifizierten Aufbau eines Plattenstapels aus Sorptionsrohren
und zweierlei Flüidführungsrohren zur Einbeziehungsweise
Ausleitung der Wärmeströme für die Sorptionsprozesse, Adsorption/Desoprtion,
einerseits und die Phasenwechselprozesse, Verdampfung/Kondensation,
andererseits.
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In 2 sind
vier Hohlkörper 15, 16, 17, 18, die
genauso ausgeführt sind, wie der in 1 dargestellte
Hohlkörper 1, übereinander gestapelt
dargestellt. Die adsorberbeschichtete Plattenseite steht jeweils
mit einer ersten Kategorie von Fluidführungsplatten oder
Fluidführungsrohren 21, 22, 23 thermisch
in Kontakt. Die Fluidführungsplatten 21 bis 23 der
ersten Kategorie dienen zur Abfuhr beziehungsweise Zufuhr der Adsorptions-
beziehungsweise Desorptionswärmen. Durch Pfeile 24 bis 26 sind
Wärmeträgerströme für die Adsorption/Desorption
angedeutet.
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Die
Seiten der Hohlkörper
15 bis
18 mit der Kapillarstruktur
(
7 in
1) stehen jeweils mit einer zweiten
Kategorie von Fluidführungsplatten
27,
28 thermisch
in Kontakt. Die Fluidführungsplatten
27,
28 dienen
zur Abfuhr beziehungsweise Zufuhr der Kondensations- beziehungsweise
Verdampfungswärmen. Die Durchströmung der Fluidführungsplatten
27,
28 erfolgt
im Kreuzstrom, also senkrecht zur Durchströmung der Fluidführungsplatten
21 bis
23, was
durch die Bezugszeichen
31 und
32 angedeutet ist.
Das Fluidmanagement zur Zu- und Abfuhr der Sorptionswärmen
und der Wärme für die Phasenwechsel erfolgt analog
der deutschen Patentanmeldung
DE
10 2006 059 504.1 der gleichen Anmelderin. Die Fluidverteilung
auf die einzelnen Fluidführungplatten ist hier nicht dargestellt.
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In 3 ist
eine Adsorptionswärmepumpe mit den Fluidstrom begrenzenden
Wänden 41 schematisch dargestellt. Die Adsorptionswärmepumpe 40 ist
mit Fluidverteilzylindern 42, 43 und 44, 45 ausgestattet.
Die Fluidverteilzylinder 42, 43 steuern die Strömung
eines flüssigen Wärmeträgers durch Fluidführungsrohre
erster Art und sind zu diesem Zweck mit jeweils zwölf Teilkammern
zur Führung des flüssigen Wärmeträgers
auf unterschiedlichen Temperaturstufen ausgestattet. Der Verlauf
der Strömung des Flüssigwärmeträgers
zur Zu- und Abfuhr der Adsorptions- und Desorptionswärmen
ist durch Pfeile 46 bis 48 angedeutet. Dabei deuten
die Pfeile 46 und 47 eine Strömungsführung
an. Der Pfeil 48 deutet eine Umlenkung der Fluidströmung
an.
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In
der deutschen Patentanmeldung
DE
10 2006 059 504.1 ist beschrieben, wie die Teilkammern der
Fluidverteilvorrichtungen
42,
43, die auch als
Verteilzylinder bezeichnet werden, zur Darstellung einer internen
Wärmeübertragung mit einem Rückkühler und
einer Wärmequelle ausgeführt und verschaltet sein
müssen, so dass durch langsame Drehung ein Temperaturprofil
durch einen im Inneren des Gehäuses
41 angeordneten
Plattenstapel bewegt werden kann. Mit der beschriebenen Methode
kann eine phasenversetzte Zyklierung aller Sorptionsreaktoren mit einer
quasikontinuierlichen Kälteerzeugung realisiert werden.
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Die
Fluidverteilvorrichtungen 44, 45 sind jeweils
nur mit zwei Teilkammern ausgestattet und steuern einen flüssigen
oder gasförmigen Wärmeübertrager, wie
zum Beispiel Wasser oder Luft, zur Zu- beziehungsweise Abfuhr der
Verdampfungs- beziehungsweise Kondensationswärmen. Durch
einen Pfeil 49 ist der zugehörige Fluidstrom angedeutet. Bei
der Adsorptionswärme pumpe 40 sind die Fluidströme
erster Kategorie 46, 47 und zweiter Kategorie 49 im
Kreuzgegenstrom geschaltet.
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In
den
4 und
5 ist eine Adsorptionswärmepumpe
50 mit
gegenüberliegenden aktiven Flächen gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel in verschiedenen Schnittansichten
dargestellt. Die Adsorptionswärmepumpe
50 umfasst
ein Gehäuse beziehungsweise den Fluidstrom begrenzende
Wände
51, in dem eine Vielzahl von Hohlkörpern
52 bis
55 übereinander
gestapelt sind. Dabei sind die Hohlkörper
52 bis
55 so
angeordnet, dass die Seiten der Hohlkörper mit der Adsorberstruktur
thermisch in Kontakt mit Fluidführungsrohren
61 bis
63 stehen. Die
zugehörigen Fluidströmungen sind in
5 durch
Pfeile angedeutet. Die Fluidverteilung erfolgt mit Fluidverteilvorrichtungen
64,
65,
die jeweils eine Ringkammer und eine gerade Verteilerwalze mit einem
Sternprofil umfassen, das in sechs Kammern unterteilt ist. Derartige
Fluidverteilvorrichtungen sind in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2006 059 504.1 beschrieben.
Die Fluidführungsrohre
61 bis
63 sind
jeweils an einem Ende mit einer Umlenkung
68,
67,
66 ausgestattet.
Die Seiten der Hohlkörper
52 bis
55 mit
der Kapillarstruktur stehen thermisch in Kontakt mit. Fluidführungsrohren
71,
72.
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In
6 ist
eine Adsorptionswärmepumpe
80 mit gegenüberliegenden
aktiven Flächen schematisch dargestellt. Die Adsorptionswärmepumpe
80 ist mit
zwei Fluidverteilvorrichtungen
81,
82 ausgestattet,
die dazu dienen, einen flüssigen Wärmeträger
zur Abfuhr beziehungsweise Zufuhr der Kondensations- beziehungsweise
Verdampfungswärmen in zugehörigen Fluidführungsplatten
zu verteilen. Die Strömung des Fluids ist durch einen Pfeil
83 angedeutet.
Die Adsorptionswärmepumpe
80 umfasst des Weiteren zwei
Fluidvorteilvorrichtungen
84,
85 zur Verteilung eines
Fluids zur Abfuhr/Zufuhr der Adsorptions- beziehungsweise Desorptionswärmen
in zugehörigen Fluidführungsrohren oder Fluidführungsplatten.
Die Fluidströmung zwischen den Fluidverteilvorrichtungen
84,
85 ist
durch einen Pfeil
86 angedeutet. Die Fluidströmungen
83,
86 sind
im Gegenstrom geschaltet. Der Aufbau und die Funktion der Fluidverteilvorrichtungen
81,
82 und
84,
85 sind
in der
DE 10 2006
028 372 A1 beschrieben.
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Der
anhand von verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebene
Aufbau einer Adsorptions-Wärmepumpe mit gegenüberliegenden
aktiven Flächen liefert unter anderem die folgenden Vorteile: Die
Dampftransportwege zwischen Adsorbens- und Kapillarstruktur sind
sehr kurz und druckverlustarm. Sie sind dadurch auch weniger empfindlich
gegenüber Fremdgasanteilen. Die Strömungsrichtung
des Arbeitsmitteldampfs ist senkrecht zu den aktiven Flächen
bei deutlich reduzierter Dampfgeschwindigkeit, wodurch die Gefahr
einer Übertragung von Flüssiganteilen von der
Kapillarstruktur in die Adsorberstruktur hinein deutlich verringert
wird. Das mit reinem Arbeitsmitteldampf gefüllte Volumen
ist deutlich geringer, was den COP der Anlage erhöht. Durch
den geringeren Einfluss von Fremdgasanteilen kommen auch Stoffsysteme
in Frage, deren Arbeitsmittel einen sehr geringen Dampfdruck aufweisen,
zum Beispiel Wasser. Durch den größeren Abstand
zwischen zwei Fluidführungsplatten der gleichen Kategorie können
die Durchtrittsöffnungen von den Fluidverteilzylindern
in die Fluidführungsplatten größer und
damit druckverlustärmer ausgeführt werden. Oder
es können umgekehrt die Durchmesser der Fluidverteilzylinder
bei gleichem Strömungsdurchtritt reduziert werden, was
zu einer Material- und Kosteneinsparung führt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006028372
A1 [0002, 0047, 0061]
- - DE 19818807 A1 [0018]
- - DE 102006059504 [0047, 0056, 0058, 0060]