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Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem geschlossenen Kühlkreislauf zur Kühlung der in der Gondel angeordneten mechanischen und elektrischen Komponenten.
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Grundsätzlich besteht bei Windenergieanlagen das Bedürfnis die bei den mechanischen und elektrischen Komponenten, z. B. Getriebe, Hydraulik, Nachführmotoren, Generator, Umrichter etc., auftretende Verlustwärme möglichst einfach und effektiv nach außerhalb der Windenergieanlage abzuführen. Dieses kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein kontinuierlicher Luftstrom durch die Anlage an den Verlustwärme abgebenden Komponenten vorbei geführt wird, wobei dem Innenraum der Windenergieanlage von Außen Frischluft zugeführt und die an den elektrischen und mechanischen Komponenten erwärmte Luft wieder als Abluft nach außerhalb der Windenergieanlage abgegeben wird. Eine derartige Lösung ist beispielsweise aus der
WO 99/30031 A bekannt.
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Allerdings ist es insbesondere bei Windenergieanlagen an Standorten mit hoher Feuchtigkeit oder hoher Staubbelastung, z. B. Offshore oder in Wüsten, unerwünscht, die Umgebungsluft durch die Windenergieanlage zu führen und in Kontakt mit den korrosionsanfälligen Komponenten zu bringen.
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Daher wurde bereits mit der
DE 100 00 370 A1 eine im Wesentlichen gegenüber der Außenluft abgedichtete Windenergieanlage vorgeschlagen, die in ihrem Innenraum eine in sich geschlossene und gegenüber der Umwelt getrennte Luftzirkulation aufweist, wobei die Turmwandung als Wärmetauscher fungiert.
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Allerdings ist diese Ausbildung in ihrer Konstruktion relativ aufwändig und nimmt in ihrer Gesamtheit einen recht großen Raum in der Windenergieanlage ein. Nachteilig ist vor allem auch, dass sich an der Turmwandung Kondenswasser niederschlagen und dort zur Korrosion führen kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Windenergieanlage mit einem geschlossenen Kühlkreislauf bereitzustellen, der mit einfachen Mitteln zu bewerkstelligen, platzsparend einzurichten und schließlich auch störunanfällig bzw. einfach zu warten ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Windenergieanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
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Grundgedanke der Erfindung ist es, die Gondel einer Windenergieanlage gegen Umwelteinflüsse, insbesondere Aerosole abzudichten, sodass ein vollständig gegenüber der Außenluft geschlossener Raum entsteht. Die sich im Innenraum der Gondel erwärmende Luft wird als Abluft an einen außerhalb der Gondel angeordneten Luft/Luft-Wärmetauscher geführt, dort abgekühlt und dem Innenraum der Gondel als gekühlte Abluft wieder zugeführt. Es handelt sich also um einen geschlossenen Kreislauf, bei dem keine Erneuerung der Luft, sondern nur eine Temperierung der im Kreislauf zirkulierenden Luftmenge erfolgt.
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Der Luft/Luft-Wärmetauscher ist bevorzugt seitlich oder oberhalb der Gondel angeordnet und erstreckt sich in Längsrichtung der Gondel, sodass der die Windenergieanlage anströmende Wind durch die gesamte Länge des Wärmetauschers geführt wird und so zu einer sehr effektiven Kühlung der Abluft beiträgt. Besonders bevorzugt sind zwei sich zu beiden Seiten der Gondel symmetrisch angeordnete Luft/Luft-Wärmetauscher vorgesehen.
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Der Wärmetauscher ist im einfachsten. Fall so ausgebildet, dass ein erster Kanal vorgesehen ist, der zum Zuführen von Frischluft in den Wärmetauscher und Abführen von Fortluft aus dem Wärmetauscher eingerichtet ist. Dieses kann beispielsweise ein einfaches offenes Rohr sein, auf dessen einen Seite Frischluft einströmt, die die von der Abluft aus der Gondel abgegebene Wärme aufnimmt und den Wärmetauscher auf dessen anderer Seite mit einer höheren Temperatur als Fortluft verlässt. Dabei wird die Abluft in einem zweiten Kanal geführt, wobei die Wärme der Abluft im Wärmetauscher auf die Frischluft übertragen und als gekühlte Abluft der Gondel wieder zugeführt wird.
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Dabei kann auch eine Mehrzahl von Rohren, wie bei einem Röhrenwärmetauscher bekannt, verwendet werden. Alternativ kann auch ein Plattenwärmetauscher, insbesondere zwei in Serie angeordnete Kreuzstromplattenwärmetauscher verwendet werden.
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Der Luftstrom „Frischluft → Fortluft” im ersten Kanal und der Luftstrom „Abluft → gekühlte Abluft” im zweiten Kanal können dabei im Gleichstrom oder im Gegenstrom geführt sein. Der Luftstrom im ersten Kanal erfolgt passiv, d. h. durch den anströmenden Wind allein. Alternativ kann jedoch auch im ersten Kanal ein Ventilator vorgesehen sein, sodass die Kühlung der Abluft mittels Frischluft unabhängig von der Bauweise der Windenergieanlage als Luv- oder Lee-Läufer und der Anströmrichtung des Windes erfolgen kann.
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Unabhängig von dem Vorhandensein eines Lüfters im ersten Kanal kann auch ein Ventilator im zweiten Kanal vorgesehen sein, der die Geschwindigkeit und/oder Richtung des Luftstroms „Abluft → gekühlte Abluft” reguliert.
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Die Ventilatoren können alternativ oder zusätzlich auch in den Leitungen vorgesehen sein, die den Wärmetauscher mit dem Innenraum der Gondel verbinden.
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Weiterhin ist speziell eine Steuerung vorgesehen, die die Geschwindigkeit und Richtung wenigstens eines der genannten Ventilatoren drehzahlgesteuert regelt, sodass es auch möglich ist, den Wärmetauscher im Gleichstrom oder im Gegenstrom zu betreiben. Der Betrieb des Wärmetauschers im Gleichstrom oder im Gegenstrom richtet sich vor allem nach der Temperatur der Abluft, einer zu erreichenden vorbestimmten Temperatur innerhalb der Gondel und/oder der Außentemperatur der die Windenergieanlage umgebenden Außenluft.
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Bevorzugt sind im ersten Kanal und/oder im zweiten Kanal bzw. den mit dem Wärmetauscher verbundenen Leitungen Filter zum Abscheiden von Aerosolen angeordnet, die einerseits die Lebensdauer des Wärmetauschers verlängern, wie aber auch sicherstellen sollen, dass Partikel in der Abluft, z. B. durch Abrieb von in der Gondel angeordneten Komponenten entstanden, nicht im geschlossenen Kreislauf zirkulieren und sich an für die Elektrik oder die Mechanik der Anlage kritischen Orten absetzen.
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Da der Wärmetauscher vollständig außerhalb der Gondel angeordnet ist, bedarf es nur zweier einfach zu dichtender Anschlüsse des zweiten Kanals an die Gondel. Damit kann bei eventuellen Schäden des Wärmetauschers eine Reparatur der Windenergieanlage durch einfachen Austausch des defekten gegen einen funktionsfähigen Wärmetauscher erfolgen.
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Der außerhalb der Gondel angebrachte Wärmetauscher kann bei Installation entsprechender weiterer Leitungen weiterhin dazu verwendet werden, Hydraulik- und/oder Getriebeöl zu kühlen.
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Die Erfindung wird anhand von in den Zeichnungen dargestellten, besonders vorteilhaft ausgebildeten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß ausgebildeten Windenergieanlage;
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2 eine geschnittene Ansicht der Windenergieanlage aus 1 entlang der in 1 gezeigten Linie;
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3 eine perspektivische Ansicht der Windenergieanlage aus 1 und 2;
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4 eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß ausgebildeten Windenergieanlage mit Hubschrauberlandeplattform;
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5 eine Ansicht der Windenergieanlage aus 4 von hinten;
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6 eine Ansicht der Windenergieanlage aus 4 von unten;
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7 eine perspektivische Ansicht der Windenergieanlage aus 4 ohne untere Verkleidung der Hubschrauberlandeplattform;
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8 eine perspektivische Ansicht der Windenergieanlage aus 4 mit unterer Verkleidung der Hubschrauberlandeplattform; und
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9 eine schematische Zeichnung der Luftstromverhältnisse eines bevorzugt ausgestalteten Luft-Luft-Wärmetauschers der Windenergieanlage nach der Erfindung.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung in einer Seitenansicht. Insbesondere sind in 1 die den Antriebsstrang einer Windenergieanlage 10 aufnehmenden Komponenten gezeigt. Der dargestellte Ausschnitt der Windenergieanlage 10 zeigt den mit einem (nicht dargestellten) Turm zu verbindenden Kopfträger 20, dem damit verbundenen, einen Generator aufnehmenden Generatorgehäuse 30, einem mit dem Generatorgehäuse 30 verbundenen, ein Getriebe aufnehmenden Getriebegehäuse 40 und einer vor dem Getriebegehäuse 40 angeordneten Nabe 50 eines Zweiblattrotors.
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Für das erste Ausführungsbeispiel kommt es nicht zwingend auf die Verwendung eines Zweiblattrotors an, sodass die Erfindung auch bei Ausgestaltung der Windenergieanlage 10 mit einem Einblatt- oder einem Dreiblattrotor verwirklicht werden kann.
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Im Folgenden werden der Kopfträger 20, das Generatorgehäuse 30 und das Getriebegehäuse 40 auch zusammengefasst als Gondel bezeichnet, wobei sich der Innenraum der Gondel wenigstens über den Kopfträger 20 und das Generatorgehäuse 30 erstreckt.
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Der Innenraum der Gondel, also der wenigstens vom Kopfträger 20 und Generatorgehäuse 30 umfasste Raum, ist mit einem bevorzugt an der Außenseite der Gondel angeordneten Wärmetauscher 100 verbunden. Insbesondere handelt es sich bei dem Wärmetauscher 100 um einen Luft/Luft-Wärmetauscher, der beispielsweise als Röhrenwärmetauscher oder Plattenwärmetauscher ausgebildet sein kann.
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Wie 2 in einer geschnittenen Ansicht zeigt, sind an der Windenergieanlage 10 zwei parallel zur Längsachse der Windenergieanlage 10 ausgerichtete Wärmetauscher 100, je ein Wärmetauscher 100 zu einer Seite der Windenergieanlage 10 montiert. Die Wärmetauscher 100 sind dabei symmetrisch zur Längsachse der Gondel angeordnet.
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Die Wärmetauscher 100 sind mit einer ersten Leitung 110 und einer zweiten Leitung 120 mit dem Innenraum der Gondel kommunizierend verbunden, wobei die erste Leitung 120 an dem einen Ende des Wärmetauschers 100 und die zweite Leitung 110 an dem anderen Ende des Wärmetauschers 100 mit diesem unter Ausbildung eines gegenüber der Umwelt geschlossenen Kreislaufs verbunden ist.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die erste Leitung 120 unmittelbar im Bereich des Generators am Generatorgehäuse 30 angeordnet ist und der Eigenlüfter des Generators die Abluft aus der Gondel über die Leitung 120 unmittelbar in den Wärmetauscher drückt. Hierzu können im Bereich der Innenwandung des Generatorgehäuses 30 spezielle Leitstrukturen vorgesehen sein, die einen effizienten Luftstrom aus dem Generatorgehäuse 30 in Richtung des Wärmetauschers 100 gewährleisten.
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Zusätzlich weist der Eigenlüfter speziell zu diesem Zweck eingerichtete Schaufeln auf, die einen effizienten Luftstrom in die Leitungen 120 ermöglichen. Insbesondere ist der Eigenlüfter so ausgebildet, dass die Luft aus axialer Richtung angesaugt und radial abgegeben wird.
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Die zweite Leitung 110 ist bevorzugt mit dem Kopfträger 20 verbunden und sorgt dafür, dass die im Wärmetauscher 100 abgekühlte Luft in den hinteren Bereich der Gondel eingeführt wird.
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3 zeigt die Windenergieanlage nach dem ersten Ausführungsbeispiel noch einmal in einer perspektivischen Ansicht.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist in 4 bis 8 gezeigt. Der Aufbau der Windenergieanlage nach dem zweiten Ausführungsbeispiel ist dabei im Wesentlichen mit dem ersten Ausführungsbeispiel identisch. Die Windenergieanlage 10 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt wiederum einen Kopfträger 20, ein Generatorgehäuse 30, ein Getriebegehäuse 40 und eine Nabe 50 eines Zweiblattrotors.
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In diesem Fall ist jedoch die Verwendung eines Zweiblattrotors essentiell, um den Rotor in einer horizontalen Parkstellung fixieren und die ungehinderte Landung eines Helikopters auf der auf der Windenergieanlage 10 vorgesehenen Hubschrauberlandeplattform H zu ermöglichen.
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Die Wärmetauscher 100 sind im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel nicht seitlich an der Gondel befestigt, sondern oberhalb der Gondel der Windenergieanlage 10 symmetrisch zur Längsachse der Gondel an der Hubschrauberlandeplattform H vorgesehen.
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Die Verbindung des Innenraums der Gondel mit dem Wärmetauscher 100 erfolgt wie bekannt über zwei, im zweiten Ausführungsbeispiel nicht dargestellte Leitungen, die an mit ihrem einen Ende an am Kopfträger 20 und an der Generatorverkleidung 30 vorgesehenen Anschlüssen 110a, 120a und mit ihrem anderen Ende an am Wärmetauscher 100 vorgesehenen Anschlüssen 110b, 120b befestigt sind.
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Die Anschlüsse 110a, 110b, 120a, 120b können als Flansch oder als Stutzen ausgebildet sein. Dabei ist insbesondere darauf zu achten, dass die Leitungen leicht, sicher und absolut dicht an den Anschlüssen 110a, 110b, 120a, 120b zu befestigen und ebenso leicht und einfach zu lösen sind, damit im Falle eines Generatordefekts die am Generatorgehäuse 30 vorgesehenen Anschlagpunkte für den Austausch des Generators mittels eines Krans frei zugänglich sind.
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Alternativ können bei der Ausbildung der Windenergieanlage 10 mit einer Hubschrauberlandeplattform H die beiden den Innenraum der Gondel mit dem Wärmetauscher 100 verbindenden Leitungen 110, 120 als Stützstruktur der Hubschraublandeplattform H ausgebildet oder in dieser angeordnet sein (nicht gezeigt).
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Während 5 die Windenergieanlage 10 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel von hinten zeigt, wird in 6 die Windenergieanlage 10 von unten dargestellt. In dieser Darstellung sind auch die unten am Wärmetauscher 100 angeordneten Anschlüsse 110b, 120b zu erkennen.
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7 und 8 zeigen eine perspektivische Ansicht der Windenergieanlage 10 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel. Insbesondere zeigt 7 die Hubschrauberlandeplattform H ohne untere Abdeckung und damit mit freier Sicht auf den hängend an der Plattform angebrachten Wärmetauscher 100. In 8 hingegen ist eine untere Abdeckung an der Hubschrauberlandeplattform H angebracht, wobei sichergestellt sein muss, dass die Abdeckung Einlass- und Auslassöffnungen aufweist, damit dem Wärmetauscher 100 kühle Umgebungsluft zugeführt und erwärmte Umgebungsluft abgeführt werden kann.
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Schließlich zeigt 9 ein Schema zu den Luftströmen in einem besonders vorteilhaft ausgebildeten Luft/Luft-Wärmetauscher, der sowohl im ersten Ausführungsbeispiel als auch im zweiten Ausführungsbeispiel Anwendung finden kann.
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Der Wärmetauscher 100 ist wie bekannt länglich ausgebildet, wobei die eigentlich wärmetauschenden Komponenten zwei herkömmlich ausgebildete Kreuzstrom-Plattenwärmetauscher 100a, 100b sind. Die quader- oder würfelförmige ausgestalteten Plattenwärmetauscher sind um 45° zur Längsachse des Wärmetauschers verdreht und direkt benachbart angeordnet, sodass der Raum zwischen der Innenwandung des Wärmetauschers 100 und der in diesem angeordneten Plattenwärmetauscherkomponenten 100a, 100b in voneinander abgegrenzte Kompartimente unterteilt wird. Der Luftstrom des mit dem Innenraum der Gondel kommunizierenden Kreislaufs im zweiten Kanal und die den Wärmetauscher durchströmende Außenluft im ersten Kanal sind dabei stets vollständig voneinander getrennt, wobei die getrennten Luftströme in den Kreuzstrom-Plattenwärmetauschern aneinander vorbeigeführt werden.
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Insbesondere wird der Luftstrom bevorzugt von der einen langen Seite des Wärmetauschers 100 seitlich, von oben oder von unten in den Wärmetauscher 100 und durch den ersten Plattenwärmetauscher 100a zur gegenüberliegenden Seite des Wärmetauschers 100 geführt. Dort tritt die Luft durch den zweiten Plattenwärmetauscher zurück zur anderen Seite des Wärmetauscher 100 und kann wieder nach Außen oder, wenn es sich um den geschlossenen Kühlkreislauf handelt, in den Innenraum der Gondel eintreten.
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Im Wärmetauscher 100 und/oder in den Innenluft zu- und abführenden Leitungen sind bevorzugt Ventilatoren mit drehzahlgeregelten Motoren vorgesehen, durch die die Richtung und die pro Zeiteinheit transportierte Luftmenge in Abhängigkeit von der abzuführenden Wärmemenge und der Außentemperatur gesteuert werden kann. Hierfür sind diese Ventilatoren mit einer mit entsprechenden Sensoren verbundenen Steuereinheit verbunden.
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Darüber hinaus können weitere Ventilatoren in dem im Wärmetauscher 100 angeordneten Kanalzug vorgesehen und ebenso gesteuert sein, der ausschließlich Außenluft führt. Derart ausgebildet kann der natürliche durch den Wärmetauscher geführte Außenluftstrom erhöht oder auch verringert werden. Zusätzlich können hierfür beispielsweise auch Klappen vorgesehen sein, die einen Außenluftstrom durch den Wärmetauscher 100 herabsetzen.
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Die Erfindung ermöglicht einen einfachen, insbesondere einfach zu installierenden und zu wartenden Aufbau einer Windenergieanlage mit einem geschlossenen Kühlkreislauf, wobei die Wärmetauscher vollständig vorab zusammengebaut und getestet werden können. Zur Wartung bedarf es bei sehr guter Zugänglichkeit der Komponenten im Wesentlichen nur eines Austauschs des gesamten Wärmetauschers, sodass längere Stillstandzeiten der Windenergieanlage vermieden werden können.
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Da der Eigenlüfter des Generators als Antrieb für den Luftstrom im geschlossenen Kühlkreislauf dient, erfolgt die Kühlung direkt von der Leistung der Windenergieanlage abhängig.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 99/30031 A [0002]
- DE 10000370 A1 [0004]
