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Die
Erfindung betrifft eine Hubmagnetanordnung gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 7. Die
Erfindung betrifft ferner eine Ventilanordnung.
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Die
gattungsgemäße Hubmagnetanordnung wird vielfach
als Antrieb zur Betätigung von hydraulischen oder pneumatischen
Ventilen in der Fluidtechnik verwendet.
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Betätigungsmagnete
für die Fluidtechnik sind meist modular aufgebaut und besitzen
ein mit Ausnahme einer Durchführungsöffnung für
den Stößel flüssigkeitsdichtes Polrohr
in dem der Anker beweglich geführt ist. Auf das Polrohr
ist ein Spulenkörper aufgezogen. Der Spulenkörper
wird mit einer Mutter befestigt. Zwischen einem Polkernabschnitt und
einem Rohrabschnitt des Polrohrs ist üblicher Weise ein
Trennring aus nicht magnetischem Material eingeschweißt.
Dadurch treten die Magnetfeldlinien im Polrohr vom Polkernabschnitt
auf den Anker über. Nur so kann sich ein mit Feldlinien
gefüllter Arbeitsluftspalt ausbilden.
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Gerade
bei Schaltventilen verwendet man möglichst einfach aufgebaute
Hubmagnete. So beschreibt z. B. die
deutsche Patentanmeldung Nr. 10 2008 030
748 der Anmelderin ein Polrohr, welches zur Erzeugung der
zwischen Polkern und Rohrabschnitt benötigten Diskontinuität
im Bereich des Übergangsabschnitts eine verringerte Materialstärke aufweist.
Hierbei nimmt man zu Gunsten der einfacheren Herstellung des Polrohrs
einen magnetischen Nebenfluss durch den Übergangsbereich
in Kauf. Diese Polrohre werden auch als dünngedrehte Polrohre
bezeichnet, da die Verringerung der Materialstärke üblicher
Weise durch Abdrehen erzielt wird. Dies bedingt jedoch einen – im Vergleich
zum nutzbaren durch den Arbeitsluftspalt geführten magnetischen
Fluss – beträchtlichen Nebenfluss. Man geht von
einem Kraftverlust des Hubmagnets von etwa 10% aus, wenn ein dünngedrehtes
Polrohr anstatt eines herkömmlichen Polrohrs verwendet
wird, eine identische Spulenleistung vorausgesetzt. Zudem haben
Hubmagnete mit dünngedrehten Polrohren oft eine für
die Ventilbetätigung sehr ungünstige Kraft-Hub-Kennlinie,
wie die Kennlinie
42 eines herkömmlichen Hubmagneten
in
2 zeigt. Die Betätigungskraft steigt
erst kurz vor Anlage des Ankers am Polkern signifikant an. Ein fluidisches
Ventil benötigt jedoch auf einem größeren
Hubbereich eine ausreichende Betätigungskraft.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Hubmagnetanordnung
anzugeben, welche insbesondere eine für die Ventilbetätigung
geeignete Kennlinie besitzt.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Hubmagnetanordnung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 oder des Patentanspruchs 7 gelöst.
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Die
Erfindung beruht allgemein darauf, bei einem Hubmagneten, bei welchem
eine magnetische Diskontinuität im Polrohr mittels Verringerung
der effektiven Materialstärke gebildet ist – z.
B. eine Verringerung der Stärke, insbesondere der Wandstärke des
magnetisch wirksamen Materials –, die dem Polkernabschnitt
zugewandte Stirnseite des Ankers und einen im Innern des Polrohrs
am Polkernabschnitt vorgesehenen Boden jeweils mit einer Kontur
zu versehen, welche eine gegenseitige axiale Überlappung zulassen.
Dies ermöglicht bei geringem Fertigungsaufwand eine vorteilhafte
Beeinflussung der Kraft-Hub-Kennlinie des Hubmagneten.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausgestaltung gemäß Anspruch
1, bei der der Übergangsabschnitt zwischen Polkernabschnitt
und Rohrabschnitt des Polrohrs eine verringerte Wandstärke
aufweist. Zusätzlich ist am Anker mittels eines vorstehenden Bunds
eine Stufe gebildet. Die Bodenfläche am Polkernabschnitt
ist ebenfalls durch eine zylindrische Einsenkung gestuft. Der Bund
des Ankers ist in die Einsenkung aufnehmbar, in dem Sinn, dass zumindest
ein Abschnitt des Bunds bei Anlage des Ankers an der Bodenfläche
in die Einsenkung eintaucht.
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Auf
diese Weise kann die Kraft-Hub-Kennlinie der Hubmagnetanordnung
so gestaltet werden, dass in einem größeren Bereich
der Kennlinie eine ausreichende Betätigungskraft verfügbar
ist. Die magnetischen Feldlinien konzentrieren sich durch die erfindungsgemäße
Bauweise stärker auf den Bereich zwischen dem Anker und
der Bodenfläche des Polkernabschnitts. Auf dem Weg des
Ankers aus seiner polkernabseitigen Endlage bis zum Eintauchen des Bunds
in die Einsenkung steht dadurch eine hohe Betätigungskraft
zur Verfügung. Die Betätigungskraft steigt dabei
kurz vor dem Eintauchen des Bunds in die Einsenkung deutlich an.
Nach dem Eintauchen fällt die Betätigungskraft
ab. Auf dem restlichen Weg des Ankerhubs bis zum Anliegen an der
Bodenfläche steht eine moderate Betätigungskraft
zur Verfügung. Durch die verringerte Betätigungskraft
auf dem letzten Hubabschnitt verringert sich auch die mechanische
Belastung des Polrohrs und einer ggf. zwischen Anker und Polkernabschnitt
vorhandenen Antiklebscheibe. Es werden zudem bessere Abschaltzeiten erreicht.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Hubmagnetanordnung lassen
sich Ventile, die zumeist schon zu Beginn eines Öffnungsvorgangs
des Ventilsschiebers hohe Betätigungskräfte benötigen,
sicher ansteuern bzw. durchschalten. Durch die schon auf einem polkernfernen
Abschnitt des Hubs vorhandene hohe Betätigungskraft kann
eine relativ schwach dimensionierte Spule eingesetzt werden. Der
Strombedarf für die Betätigung ist gegenüber
herkömmlichen Hubmagneten verringert. Zudem lässt
sich nun eine Hubmagnetanordnung bereitstellen, die auch unter Verwendung
von dünngedrehten Polrohren eine genau definierte, von
herstellungsbedingten Toleranzen weitgehend unabhängige
Kennlinie aufweist. In dieser Anmeldung wird der Einfachheit halber
der Begriff dünngedrehtes Polrohr verwendet. Dieser Begriff
soll sich jedoch allgemein auf Hubmagnetanordnungen mit einem Polrohr,
welches eine reduzierte Wandstärke im Übergangsabschnitt
zwischen Polkern und Rohrabschnitt aufweist, beziehen. Die reduzierte Wandstärke
kann nicht nur durch Drehen sondern auch durch andere Prozesse erzeugt
werden. Als Beispiele seien Rollieren, Rundkneten, Strecken eines
stabförmigen Halbzeugs oder Einformen eines Rings aus nicht
magnetischen Material genannt, wie in der bereits genannten
deutschen Patentanmeldung 10
2008 030 748 der Anmelderin beschrieben. Alle diese Verfahren
zur Reduzierung der Wandstärke im Übergangsabschnitt
sollen durch den Begriff „dünngedrehtes Polrohr” umfasst
sein.
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Die
Aufgabe wird ebenfalls durch eine Ventilanordnung gelöst,
welche mit einer solchen Hubmagnetanordnung ausgestattet ist. Durch
Abstimmung der Konturen, insbesondere der Länge des Bunds und
ggf. der Länge eines Kragens am Polkernabschnitt kann die
Kraft-Hub-Kennlinie der Hubmagnetanordnung optimal auf die Betätigungskraftanforderungen
der Ventilanordnung angepasst werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die
besagten Konturen können die unterschiedlichsten Formen
aufweisen. Geeignet sind z. B. bundförmige, ringförmige,
konusförmige und kuppelförmige Erhebungen. Diese
müssen nicht unbedingt konzentrisch zur Bewegungsachse
des Ankers ausgebildet sein, die konzentrische Form erleichtert jedoch
eine Fertigung. Die jeweilige Gegenkontur besitzt vorzugsweise geometrisch
entsprechende Einsenkungen.
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Vorzugsweise
sind, wie gesagt, der Polkernabschnitt, der Übergangsabschnitt
und der Rohrabschnitt das Polrohrs einstückig aus einem
magnetisierbaren Material ausgebildet. Dies erlaubt eine besonders
kostengünstige Fertigung des Polrohrs. Besonders einfach
gestaltet sich die Fertigung, wenn der Übergangsabschnitt
eine Radialnut in einer Außenfläche des Polrohrs
aufweist. Die Übergänge von der Radialnut zum
Polkernabschnitt bzw. von der Radialnut zum Rohrabschnitt können
abgerundet sein, um einer Rissbildung vorzubeugen.
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Der
Bund kann etwas kürzer ausgebildet sein, als ein Kragenabschnitt
des Polkerns. Dadurch kann die geringe durch den Kragenabschnitt
bewirkte Krafterhöhung im polkernfernen Abschnitt der Kennlinie
genutzt werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Radialspalt
zwischen dem Bund und der Einsenkung so bemessen, dass eine Bewegung
des Ankers in einer dem Polkernabschnitt zugeordneten Endlage fluidisch
bedampft ist. Dadurch wird die mechanische Belastung des Polrohrs
und ggf. einer zwischen Anker und Polkernabschnitt eingelegte Antiklebscheibe
verringert.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind
eine erste Position des Ankers, bei der die Stirnfläche
des Ankers einem polkernabschnittseitigen Ende des Übergangsabschnitts
gegenübersteht, und/oder eine zweite Position des Ankers,
bei der eine Stirnfläche des Bunds des Ankers der Bodenfläche
des Polkernabschnitts gegenübersteht, entsprechend einem
erwarteten Kräfteprofil von bei einem Öffnungsvorgang auf
den Ventilschieber wirkenden Strömungskräften angeordnet.
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Vorzugsweise
entspricht die zweite Position des Ankers einem nahezu vollständig
geöffneten Steuerquerschnitt. An dieser Stelle lassen die
strömungsbedingten Rückstellkräfte auf
den Ventilschieber nach. Die ab dem Eintauchen des Bunds in die Einsenkung
verringerten Betätigungskräfte sind noch ausreichend
um das Ventil voll durchzuschalten.
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Nachfolgend
werden die vorliegende Erfindung und deren Vorteile unter Bezugnahme
auf das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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1 zeigt
eine Hubmagnetanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem an einen Ventilgehäuse befestigten
Polrohr, mit einem auf dem Polrohr aufsitzenden Spulenkörper
und mit einem den Spulenkörper umschließendes
Gehäuse,
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2 zeigt
einen Schnitt durch das Polrohr der in 1 dargestellten
Hubmagnetanordnung und
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3 zeigt
eine Kraft-Hub-Kennlinie der erfindungsgemäßen
Hubmagnetanordnung im Vergleich zu einer Kraft-Hub-Kennlinie eines
herkömmlichen Hubmagneten.
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Die 1 zeigt
den typischen Aufbau eines Hubmagnets 1, wie er zur Betätigung
von Schaltventilen der Fluidtechnik eingesetzt wird. An einem Ventilgehäuse 3 ist
ein Polrohr 5 des Hubmagnets 1 in die Ventilbohrung
eingeschraubt. Auf das Polrohr 5 ist eine Magnetspule 7 aufgesteckt.
Die Magnetspule 7 wird mittels einer Mutter 9 auf
dem Polrohr 5 gesichert. An einem Übergangsabschnitt 14 ist
das Polrohr 5 hinsichtlich seines Außenradius
eingeschnürt.
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Den
Aufbau des Polrohrs 5 und des darin geführten
Ankers gemäß der vorliegenden Erfindung verdeutlicht
die 2. Ein Polrohrkörper 11 wird
aus einem ferromagnetischem Stahl, z. B. aus einer Stangenware durch
spanende Bearbeitung in der dargestellten Form bereitgestellt.
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Der
Polrohrkörper 11 unterteilt sich axial in einen
Polkern 12, einen Übergangsabschnitt 14 und einen
Rohrabschnitt 16. Die insgesamt büchsenartige
Form des Polrohrkörpers 11 erlaubt das Einsetzen eines
Ankers 20 in eine zentrale Bohrung 18. Die Bohrung 18 wird
an ihrem dem Polabschnitt 12 abgewandten Ende an der Öffnung
des Rohrabschnitts 16 später mit einem Verschlussstück – auch
Hubbegrenzung genannt – (nicht dargestellt) versehen, welches gleichzeitig
ein Gewinde zur Befestigung der Mutter 9 trägt.
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Vom
Polkern 12 steht ein ringkonusförmiger Kragen 22 vor.
Dieser geht über eine Rundung 24 in den Übergangsabschnitt 14 über.
Im Vergleich zum Polkern 12 und dem Rohrabschnitt 16 ist
die Außenumfangsfläche des Polrohrs 5 am Übergangsabschnitt 14 durch
eine Radialnut eingeschnürt. Über eine weitere
Rundung 24 und eine schräg angestellte Konusaußenfläche
geht der Übergangsabschnitt 14 in den Rohrabschnitt 16 über.
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In
der Bohrung 18 ist der Anker 20 axial verschiebbar
gelagert. Im Arbeitsluftspalt zwischen dem Anker 20 und
dem Polkern 12 ist eine Antiklebscheibe 26 eingelegt.
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Der
Anker 20 ist an seiner dem Polkern 12 zugewandten
Stirnseite durch eine Stufe konturiert: Aus der ringförmig
ausgebildeten Stirnfläche 28 steht ein zylinderförmiger
Bund 30 vor.
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In
der Bodenfläche 32 der Bohrung 18 ist eine
Einsenkung 34 vorhanden welche mit dem Bund 30 geometrisch
korrespondiert. Dies bedeutet, dass der Bund 30 in die
Einsenkung 34 eintauchen kann. Die axiale Ausdehnung des
Bunds 30 sowie dessen radiale Ausdehnung ist in Bezug auf
die gewünschte Kennlinienform gewählt, wie später
noch erläutert wird. Die Tiefe der Einsenkung 34 ist
so gewählt, dass unter Berücksichtigung der Antiklebscheibe 26 noch
ein Spalt zwischen dem Boden der Einsenkung 34 und der
Stirnfläche des Bunds 30 besteht, wenn sich der
Anker 20 in seiner polkernseitigen Endlage befindet.
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Die 3 zeigt
die Kraft-Hub-Kennlinie 40 der erfindungsgemäßen
Hubmagnetanordnung 1 im Vergleich mit der Kraft-Hub-Kennlinie 42 einer
herkömmlichen Hubmagnetanordnung, welche zwar ein dünn
gedrehtes Polrohr, jedoch keine Konturierung der polkernseitigen
Ankerstirnseite bzw. des Bodens der Bohrung 18 am Polkern 12 aufweist.
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Bei
der erfindungsgemäßen Hubmagnetanordnung 1 konnte,
wie die Kennlinie 40 gegenüber der Kennlinie 42 zeigt,
ein verstärkter Anstieg der Betätigungskraft in
einem frühen Abschnitt 40a des Hubvorgangs erzielt
werden. Dabei besitzt der Anker 20 noch einen großen
Abstand vom Polkern 12. Die Konturen von Ankerstirnfläche
und Bodenfläche des Polkerns 12, also Bund 30 und
Einsenkung 34, befinden sich noch nicht in axialer Überlappung.
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Die
Kennlinie 40 steigt bei weiterer Annäherung des
Ankers 20 an den Polkern 12 weiter steil an, um
im Abschnitt 40b ein Plateau auszubilden. Der Abschnitt 40b entspricht
einer Stellung des Ankers 20, bei der der Bund 30 knapp
vor der Bodenfläche 32 steht, also noch nicht
in die Einsenkung 34 eintaucht.
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Mit
der Ausbildung einer axialen Überlappung, in diesem Beispiel
beim Eintauchen des Bunds 30 in die Einsenkung 34 sinkt
die Kennlinie 40 im Abschnitt 40c zunächst
ab. Bei Anlage des Ankers 20 am Polkern 12 steigt
die Kennlinie 40 schließlich mäßig
an und schließt mit der Haltekraft 40d ab, sie übersteigt
das in Abschnitt 40b erreichte Plateau jedoch nicht mehr.
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Der
Einfluss des ringkonusförmigen Kragens 22 auf
die Kennlinie 40 und ebenso auf die Kennlinie 42 ist
marginal. Im Hubbereich 44 ist allenfalls eine minimale
Aufwölbung in der Kennlinie 42 zu erkennen. Die
durch die Konturierung des Ankers 20 und des Bodens am
Polkern 12 erzielte Kennlinienanhebung in der Kennlinie 40 übersteigt
einen Einfluss des ringkonusförmigen Kragens 22 bei
weitem.
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Durch
Anpassen der axialen Ausdehnung des Bunds 30 kann die Lage
des Plateauabschnitts 40b der Kennlinie 40 variiert
werden. Die radiale Ausdehnung des Bunds 30 und die Größe
des Radialspalts zwischen Bund 30 und Einsenkung 34 haben Einfluss
auf die Höhe des Plateaus bzw. auf die unterschiedlich
starke Ausprägung der Kennlinienanhebung der Kennlinie 40 gegenüber
der Kennlinie 42. Der in Endlage des Ankers 20 am
Polkern 12 verbleibende Luftspalt zum Boden der Einsenkung 34 hat Einfluss
auf die Haltekraft 40d. Durch insbesondere die beschriebenen
Anpassungen der Ankerkontur und der Bodenkontur wird die Kennlinie 40 so
auf die Betätigungskraftkennlinie eines fluidischen Ventils abgestimmt,
dass ein Bereich, in welchem hohe Betätigungskräfte
gefordert sind – z. B. vom Beginn der Öffnung
eines Fluidpfads im Ventil bis hin zu dessen vollständiger Öffnung – etwa
mit dem Plateau 40b übereinstimmen. So können
insbesondere Strömungskräfte welche in Schließrichtung
des Ventils wirken sicher überwunden werden und der Ventilschieber
aus jedem Betätigungszustand durchgeschaltet werden.
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Insbesondere
bei Proportionalventilen, bei denen die Position des Ventilsschiebers
durch die gegen eine Feder wirkende vom Hubmagneten 1 bereitgestellte
Betätigungskraft gesteuert wird, ist die im Bereich 40c fallende
Kennlinie 40 von Vorteil. Es ergibt sich dort ein auf der
Positionsachse sehr schmaler Schnittbereich zwischen der Federkennlinie
und der Kraft-Hub-Kennlinie 40. Die gewünschte
Position des Ventilschiebers kann damit sehr genau und mit wenig
Streuung durch die Bestromung des Hubmagneten 1 angesteuert
werden.
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Die
Erfindung beruht allgemein darauf, bei einem Hubmagneten, bei welchem
eine magnetische Diskontinuität im Polrohr mittels Verringerung
der effektiven Materialstärke gebildet ist – z.
B. eine Verringerung der Stärke, insbesondere der Wandstärke des
magnetisch wirksamen Materials –, die dem Polkernabschnitt
zugewandte Stirnseite des Ankers und einen im Innern des Polrohrs
am Polkernabschnitt vorgesehenen Boden jeweils mit einer Kontur
zu versehen, welche eine gegenseitige axiale Überlappung zulassen.
Dies ermöglicht bei geringem Fertigungsaufwand eine vorteilhafte
Beeinflussung der Kraft-Hub-Kennlinie des Hubmagneten.
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- 1
- Hubmagnet
- 3
- Ventilgehäuse
- 5
- Polrohr
- 7
- Magnetspule
- 9
- Mutter
- 11
- Polrohrkörper
- 12
- Polkern
- 14
- Übergangsabschnitt
- 16
- Rohrabschnitt
- 18
- Bohrung
- 20
- Anker
- 22
- Kragen
- 24
- Rundung
- 26
- Antiklebscheibe
- 28
- Ringstirnfläche
- 30
- Bund
- 32
- Bodenfläche
- 34
- Einsenkung
- 40
- Kraft-Hub-Kennlinie
- 40a
- Kennlinienabschnitt
- 40b
- Kennlinienabschnitt
- 40c
- Kennlinienabschnitt
- 40d
- Haltekraft
- 42
- Kraft-Hub-Kennlinie
- 44
- Hubbereich
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102008030748 [0004, 0010]