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Die Erfindung betrifft ein Fluidkraftwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Im Zuge der aktuellen Abschaltung von Atomkraftwerken ist die Realisierung von Konzepten zur Nutzung erneuerbarer Energien in den Vordergrund getreten.
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Relativ weit durchgesetzt haben sich Windkraftanlagen, die jedoch bei der Bevölkerung auf Widerstand stoßen, da sie zum Wind exponiert aufgestellt werden müssen und daher von weitem sichtbar sind. Des Weiteren sind die Schallemissionen derartiger Windkraftanlagen in der näheren Umgebung erheblich. Auch der Einfluss auf die Tierwelt ist umstritten.
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Bei der Nutzung der Wasserkraft werden bereits seit langem die herkömmlichen Wasserkraftwerke genutzt, die an Staustufen oder dergleichen gebaut sind. Neuere Tendenzen gehen dazu, die Wellenenergie zu nutzen, um die kinetische Energie eines durch die Wellen bewegten Körpers in elektrische Energie umzuwandeln. Dabei gibt es so genannte Onshore-Anlagen, die im Brandungsbereich gebaut werden und bei denen eine Turbine oder dergleichen durch die in das Bauwerk einströmende Welle angetrieben wird.
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Bei anderen Wellenenergieanlagen werden Schwimmkörper kettenförmig zusammengefügt und die Relativverschiebung der einzelnen Schwimmkörper zueinander während der Wellenbewegung ausgenutzt, um über eine Hydromaschine einen Generator anzutreiben.
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Bei anderen Lösungen sind Schwimmkörper am Boden verankert und werden durch die Wellenbewegung bewegt, wobei die Bewegungsenergie dann beispielsweise durch Hydromaschinen in elektrische Energie umgewandelt wird.
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Ebenfalls bekannt sind Kraftwerke, bei denen der Tidenhub ausgenutzt wird. Weitere interessante Konzepte sind Gradientenkraftwerke und Gletscherkraftwerke.
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Der Nachteil all dieser Lösungen ist, dass diese Kraftwerkskonzepte sich entweder noch im Entwicklungsstadium befinden und insbesondere bei extremen Wetterbedingungen störungsanfällig sind oder aber zur Realisierung ein erheblicher Aufwand mit hohen Baukosten einhergeht. Ein weiterer Nachteil vieler Konzepte besteht darin, dass schwerwiegende Eingriffe in die Natur erforderlich sind, die von der Bevölkerung nicht toleriert werden, so dass neben den zuvor geschilderten betriebswirtschaftlichen auch politische Probleme entstehen.
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In der
DE 102 10 597 A1 ist ein Schwimmkraftwerk gezeigt, bei dem ein Wasserrad zwischen zwei katamaranartig angeordneten Rümpfen angeordnet ist. Ein derartiges Kraftwerk kann mit geringem Aufwand in einem Fluss verankert werden und passt sich durch seine schwimmfähigen Rümpfe selbsttätig an den Wasserstand an, so dass die Gefahr einer Beschädigung bei Hoch- oder Niedrigwasser minimal ist. Der Aufbau derartiger Schwimmkraftwerke ist darüber hinaus sehr kompakt, so dass die Investitionskosten gegenüber dem zuvor beschriebenen Stand der Technik gering sind. Ein Nachteil einer derartigen Lösung besteht darin, dass der Wirkungsgrad vergleichsweise gering ist.
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Eine ähnliche Lösung ist in der
DE-AT 384 656 B erläutert. Bei dieser Variante werden die Schwimmer mit Wasser geflutet, so dass das gesamte Schwimmkraftwerk auf dem Grund aufliegt. Dieses Konzept dürfte gegenüber dem zuvor beschriebenen Stand der Technik einen noch schlechteren Wirkungsgrad haben, da die Strömung durch am Grund des Gewässers mit der Strömung mitbewegte Gegenstände wie beispielsweise Steine, Sand, Pflanzen, etc. erheblich gestört werden kann. Darüber hinaus ist in diesem Bereich keine optimierte Anströmung der Turbine möglich.
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Die
DE 37 26 275 A1 zeigt eine Möglichkeit, ein Wasserrad über einen Schwimmkörper in einem Gewässer zu lagern.
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Ähnliche Schwimmkraftwerke sind auch in den Druckschriften
JP 2009-234555 A und
US 7,223,137 B1 offenbart.
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Alle diese Lösungen sind zwar relativ flexibel mit vergleichsweise geringen Investitionen einsetzbar – der Wirkungsgrad ist jedoch aufgrund der schlechten Anströmung zu gering, um einen kostendeckenden Betrieb zu gewährleisten und somit für Investoren interessant zu werden.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Fluidkraftwerk mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Fluidkraftwerk mit der Merkmalskombination des Patentanspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß hat das Fluidkraftwerk eine Vielzahl von Profilkörpern, die von einer Fluidströmung, vorzugsweise einer Wasserströmung angetrieben werden. Die Profilkörper sind umlaufend derart geführt, dass sie während einer Antriebsphase in die Strömung eintauchen und zur Rückführung aus der Strömung heraus bewegbar sind. Bei der beanspruchten Lösung sind die Profilkörper in etwa quer zur Hauptströmungsrichtung bewegbar angeordnet. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu den eingangs beschriebenen herkömmlichen Lösungen, bei denen die Bewegungsbahn einzelner Profilkörper der Wasserräder während der Eintauchphase in etwa in der Strömungsrichtung liegt.
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Bei einem bevorzugtem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Profilkörper beabstandet zueinander an einem Umlaufförderelement gelagert, das in etwa quer zur Hauptströmungsrichtung umläuft.
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Dieses Umlaufförderelement kann mit Umlenkungen ausgeführt sein, von denen zumindest eine in Wirkverbindung mit einem elektrischen Generator steht. Dementsprechend wird das Umlaufförderelement von den Profilkörpern angetrieben, so dass die kinetische Energie der Strömung über die Profilkörper und das Umlaufförderelement abgegriffen und an den Generator abgegeben wird.
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Bei einer besonders kompakten Lösung sind die Profilkörper derart an dem Umlaufförderelement angeordnet, dass sie im Umlenkbereich radial zur Umlenkung auskragen.
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Zur Anpassung an den Wasserstand kann die Eintauchtiefe der Profilkörper variabel ausgeführt sein.
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Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Profilkörper schräg zur Strömungsrichtung angestellt.
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Dieser Anstellwinkel kann zwischen 22° bis 45° betragen.
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Zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrads kann das gesamte Fluidkraftwerk mit dem Umlaufförderelement schräg zur Hauptströmungsrichtung angeordnet sein. Dieser Anstellwinkel kann zwischen 80° und 110° betragen.
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Die Profildicke beträgt bei einem Ausführungsbeispiel zwischen 11 % und 15 % der Profilbreite.
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Die Profilstreckung, d. h. das Verhältnis zwischen Profillänge und Profilbreite liegt vorzugsweise zwischen 1:3 und 1:4.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Profilkörper in Längsrichtung nicht gerade sondern gekrümmt ausgeführt sind. Derartige gekrümmte Profilkörper werden beispielsweise bei Hochleistungskatamaranen für Schwerter verwendet. Die Krümmung und der damit einhergehende Horizontalanteil der Profilkörper bewirkt einen gewissen Auftrieb bei der Anströmung und eine Optimierung der Anströmverhältnisse.
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Der Wirkungsgrad des Kraftwerks lässt sich weiter verbessern, wenn mehrere Profilkörper in Anströmrichtung hintereinander liegend angeordnet sind, so dass am Umlaufförderelement mehrere Reihen von Profilkörpern ausgebildet sind. Dabei kann es vorteilhaft sein, die in Strömungsrichtung hintereinander liegenden Profilkörper etwas seitlich gegeneinander zu versetzen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wasserkraftwerks;
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2 ein Profilquerschnitt eines Profilkörpers des Wasserkraftwerks aus 1;
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wasserkraftwerkes mit gekrümmten Profilkörpern;
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4 eine Profilkörpereinheit des Ausführungsbeispiels aus 1 und
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5 eine Prinzipdarstellung des Wirkprinzips des letztgenannten Ausführungsbeispiels.
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Wasserkraftwerks 1, das ohne erheblichen baulichen Aufwand an einem fließenden Gewässer, beispielsweise einem Flusslauf angebracht werden kann. Durch die Mobilität des Wasserkraftwerks kann dies auch zeitweise zur Unterstützung bestehender Kraftwerke eingesetzt werden, wenn diese beispielsweise durch eine Beschädigung oder zur Wartung herunter gefahren werden müssen.
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Das erfindungsgemäße Wasserkraftwerk 1 hat eine Vielzahl von Profilkörpern 2, die endseitig an einem Umlaufförderelement 4 gelagert sind. Derartige Umlaufelemente sind aus der Förder- oder Seilbahntechnik bekannt. So kann dieses Umlaufelement 4 beispielsweise als Kette oder aus Kunststoff in Form eines Tragbandes ausgebildet sein. Dieses Umlaufförderelement ist endlos ausgebildet und umschlingt zwei Umlenkräder 6, 8, die ihrerseits jeweils drehbar um eine Achse 10, 12 gelagert sind. Die Anbindung der Profilkörper 2 an das Umlaufförderelement 4 ist dabei sehr stabil ausgeführt, so dass diese ihre dargestellte Winkelposition beibehalten. Dementsprechend sind die Profilkörper 2 in etwa senkrecht zur Großfläche des Umlaufförderelements 4 angeordnet, so dass sie im Umlenkbereich radial von den jeweiligen Umlenkrädern 6, 8 weg kragen. Dabei steht das Umlaufförderelement 4 zumindest mit einem der Umlenkräder 8, 10 in form- oder kraftschlüssiger Verbindung, so dass dieses Umlenkrad angetrieben wird. Dieses ist seinerseits mit einem nicht dargestellten Stromgenerator gekoppelt, der dann über das oder die Umlenkräder 6, 8 angetrieben wird.
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Wie in 1 dargestellt, ist das Wasserkraftwerk 1 in einem Flussbett 14 angeordnet, wobei die in der Darstellung nach 1 unten liegenden Profilkörper 2 in die Strömung eintauchen. Der Wasserpegel ist mit dem schwarzen Dreieck gekennzeichnet. Demgemäß liegt das Umlaufförderelement 4 in einem vorbestimmten Abstand oberhalb des Wasserpegels, so dass nur die zum Wasser orientierten Profilkörper 2 eintauchen. Die beiden Umlenkräder 10, 12 sind, wie in 1 angedeutet, im Uferbereich gelagert, wobei diese Lagerung derart erfolgt, dass die Eintauchtiefe der Profilkörper 2 veränderbar ist. Diese Eintauchtiefe kann beispielsweise über Spannvorrichtungen oder dergleichen verstellt werden, über die die Umlenkräder 10, 12 in der Höhe (vertikal in 1) verstellbar sind. Die Profilkörper 2 sind zur Hauptströmungsrichtung (vom Betrachter in Richtung zur Zeichenebene) schräg angestellt, wobei der Anstellwinkel zwischen 22° und 45° beträgt. Dieser Anstellwinkel α ist in 1 angedeutet. Die Profilstreckung, d.h. das Verhältnis der Profilbreite b zur Eintauchtiefe l des Profilkörpers 2 beträgt beim dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen 600:1800 und 500:2000, mit anderen Worten gesagt, die Profilstreckung liegt im Bereich b:l von 1:3 bis 1:4.
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Das gesamte Wasserkraftwerk 1 kann zur Strömungsrichtung angestellt sein, so dass entweder das Umlenkrad 8 oder das Umlenkrad 6 näher zum Betrachter hin angeordnet ist als das jeweils andere Umlenkrad 8, 6. Diese Anstellung beträgt zwischen 70° und 110° (je nachdem, welches Umlenkrad näher zum Betrachter angeordnet ist), wobei 90° eine Anstellung von 0° wäre.
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2 zeigt ein Profil eines Profilkörpers 2 gemäß 1. Demgemäß hat dieses eine konkav gekrümmte Anströmfläche 16 und eine Rückfläche 18, die konvex gekrümmt ist. Ein Anströmbereich 20 des Profilkörpers 2 ist verrundet mit vergleichsweise großer Wandstärke ausgeführt, während eine Abströmkante 22 relativ scharfkantig ausgebildet ist. Die maximale Profildicke ist in Figur mit d eingezeichnet. Demgemäß ist dieser Bereich mit maximaler Profilstärke relativ nahe zum Anströmbereich 20 angeordnet. Das Verhältnis zwischen dieser Profildicke d zur Profilbreite b beträgt beim dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen 12 % und 14 %.
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5 zeigt eine stark vereinfachte Schemadarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wasserkraftwerks 1. Bei dieser Variante sind an dem strichpunktiert angedeuteten Umlaufförderelement 4 eine Vielzahl von Profilkörperelementen 24 angeordnet, die jeweils drei Profilkörper 2a, 2b, 2c aufweisen, die mittels einer Traverse 26 oder dergleichen am Umlaufförderelement 4 befestigt sind. Eine Besonderheit der Profilkörper 2a, 2b, 2c besteht darin, dass diese mit einem Krümmungsradius R ausgebildet sind, der in der Darstellung gemäß 3 lediglich angedeutet ist. Dieser Krümmungsradius kann im Meterbereich liegen und bewirkt, dass die unten liegende, vom Umlaufförderelement 4 entfernte Profilkörperspitze gegenüber der Traverse seitlich versetzt ist. Derartige gekrümmte Profilkörper 2 haben somit nicht nur Vertikalanteile sondern auch in Horizontalrichtung orientierte Flächenanteile, die einen gewissen Auftrieb bewirken. Des Weiteren wird durch die seitliche Krümmung der Profilkörper eine Optimierung der Strömungsverhältnisse bewirkt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die drei Profilkörper 2a, 2b, 2c in Strömungsrichtung gesehen seitlich versetzt zueinander angeordnet, so dass die Profilkörper einer Profilkörpereinheit 26 nicht exakt in Strömungsrichtung hintereinander liegen. Auch diese Schräganstellung wird in Abhängigkeit von den Strömungsverhältnissen geeignet gewählt.
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4 zeigt eine Einzeldarstellung einer Profilkörpereinheit 24 mit der Traverse 26 und den drei mit einem Krümmungsradius R ausgeführten Profilkörpern 2a, 2b, 2c. Auch in dieser Darstellung ist der Krümmungsradius R nur beispielhaft eingezeichnet, die geometrischen Verhältnisse stimmen jedoch nicht mit der Realität überein. Wie erwähnt, sind die Profilkörper 2a, 2b, 2c in Strömungsrichtung und seitlich dazu versetzt. Selbstverständlich können die gekrümmten Profilkörper 2a, 2b, 2c auch bei dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel verwendet werden.
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Ein Vorteil dieser gekrümmten Varianten ist, dass deren Eintauchtiefe gegenüber geraden Profilkörpern mit gleicher Wirkfläche deutlich geringer ist.
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5 zeigt nochmals das Grundprinzip des zweiten Ausführungsbeispiels, bei dem am strichtpunktiert angedeuteten Umlaufförderelement 4 eine Vielzahl von Profilkörperelementen 24 mit jeweils drei Profilkörpern 2a, 2b, 2c angeordnet sind. Diese sind mit Bezug zur Anströmrichtung (siehe Pfeil in 5) sowohl seitlich als auch in Strömungsrichtung hintereinander versetzt angeordnet. Der Profilquerschnitt jedes Profilkörpers 2 entspricht in etwa dem anhand 2 erläutertem Ausführungsbeispiel.
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Selbstverständlich kann die Anzahl der Profilkörper eines Profilkörperelementes im Hinblick auf den erzielbaren Wirkungsgrad und die Strömungsverhältnisse variiert werden. Bei tieferen Gewässern kann es ausreichen, zwei Profilkörper mit großer Eintauchtiefe zu verwenden, während bei flacheren Gewässern auch mehr als drei Profilkörper an einem Profilkörperelement 24 vorgesehen werden können. Der seitliche Versatz und der Versatz in Strömungsrichtung wird entsprechend der Strömungsverhältnisse gewählt.
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Selbstverständlich sind auch Abweichungen von den vorgenannten Abmessungen realisierbar.
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Es zeigte sich, dass bereits bei vergleichsweise geringen Fließgeschwindigkeiten von 1 bis 3 m/s eine elektrische Leistung abgegriffen werden kann, die deutlich oberhalb derjenigen bei den eingangs beschriebenen bekannten Lösungen liegt. Dieser Wirkungsgrad wird erheblich beeinflusst durch die Flussbreite und damit die Anzahl der in Wirkeingriff bringbaren Profilkörper 2, durch die Wassertiefe und damit die wirksame Profillänge l und durch die Fließgeschwindigkeit des jeweiligen Gewässers. Bei Vorversuchen zeigte es sich, dass die Bewegungsgeschwindigkeit der Profilkörper 2 und damit die Geschwindigkeit des Umlaufförderelements 4 um den Faktor 3 höher ist als die Fließgeschwindigkeit im Gewässer ist. Die Erfinder gehen davon aus, dass durch geeignete Auslegung des Profils der Profilkörper 2 und der Anzahl der in Wirkeingriff befindlichen Profilkörper 2 dieser Wirkungsgrad noch deutlich erhöht werden kann.
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Prinzipiell ist es auch möglich, die Profilkörper 2 derart am Umlaufförderelement 4 zu lagern, dass sie individuell in Vertikalrichtung, d. h. in Eintauchrichtung verstellbar sind, um eine Anpassung an den Wasserstand oder den Energiebedarf zu ermöglichen.
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Aufgrund des sehr einfachen Aufbaus des Wasserkraftwerks kann dieses, wie bereits eingangs erwähnt, sehr einfach, ohne erhebliche bauliche Anpassungen installiert werden, wobei im Flussuferbereich nur entsprechende Stützeinrichtungen für die Umlenkräder 8, 10 und deren Verstelleinrichtugen installiert werden müssen.
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Offenbart ist ein linear geführtes Laminar-Kraftwerk mit einer Vielzahl von Profilkörpern 2, die an einem Umlaufförderelement 4 abgestützt sind, das quer zur Fließrichtung umläuft.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wasserkraftwerk
- 2
- Profilkörper
- 4
- Umlaufförderelement
- 6
- Umlenkrad
- 8
- Umlenkrad
- 10
- Achse
- 12
- Achse
- 14
- Flussbett
- 16
- Anströmfläche
- 18
- Rückfläche
- 20
- Anströmbereich
- 22
- Abströmkante
- 24
- Profilkörperelement
- 26
- Traverse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10210597 A1 [0009]
- DE 384656 B [0010]
- DE 3726275 A1 [0011]
- JP 2009-234555 A [0012]
- US 7223137 B1 [0012]
