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Die Erfindung betrifft einen Rußsensor mit einer Elektrodenstruktur, wobei sich auf der Elektrodenstruktur Rußpartikel aus einem Abgasstrom ablagern und der über die Elektrodenstruktur fließende Messstrom als Maß für die Rußbeladung des Rußsensors ausgewertet wird, wobei der Rußsensor eine Schutzkappe aufweist.
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Die Anreicherung der Atmosphäre mit Schadstoffen aus Abgasen stellt ein ersthafte Problem für die Umwelt dar. Damit verbunden ist die Tatsache, dass die Verfügbarkeit fossiler Energieträger begrenzt ist. Als Reaktion darauf werden beispielsweise Verbrennungsprozesse in Brennkraftmaschinen thermodynamisch optimiert, so dass deren Wirkungsgrad verbessert wird. Im Kraftfahrzeugbereich schlägt sich dies in der zunehmenden Verwendung von Dieselmotoren nieder. Der Nachteil dieser Verbrennungstechnik gegenüber optimierten Otto-Motoren ist jedoch ein deutlich erhöhter Ausstoß von Ruß. Der Ruß kann besonders durch die Anlagerung polyzyklischer Aromate stark krebserregend sein, worauf in verschiedenen Vorschriften bereits reagiert wurde. So wurden beispielsweise Abgas-Emissionsnormen mit Höchstgrenzen für die Rußemission erlassen. Daher besteht die Notwendigkeit preisgünstige Sensoren anzugeben, die den Rußgehalt im Abgasstrom von Kraftfahrzeugen zuverlässig messen.
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Der Einsatz derartiger Rußsensoren dient der Messung des aktuell mit dem Abgasstrom ausgestoßenen Rußes, damit dem Motormanagement in einem Automobil in einer aktuellen Fahrsituation Informationen zukommen, um mit regelungstechnischen Anpassungen die Emissionswerte zu reduzieren. Darüber hinaus kann mit Hilfe der Rußsensoren eine aktive Abgasreinigung durch Abgas-Rußfilter eingeleitet werden oder eine Abgasrückführung zur Brennkraftmaschine erfolgen. Im Falle der Rußfilterung werden regenerierbare Filter verwendet, die einen wesentlichen Teil des Rußgehaltes aus dem Abgas herausfiltern. Benötigt werden Rußsensoren für die Detektion von Ruß, um die Funktion der Rußfilter zu überwachen bzw. um deren Regenerationszyklen zu steuern.
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Dazu kann dem Rußfilter, der auch als Dieselpartikelfilter bezeichnet wird, ein Rußsensor vorgeschaltet sein und/oder ein Rußsensor nachgeschaltet sein.
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Im Stand der Technik hat es verschiedene Ansätze zur Detektion von Ruß gegeben. Ein in Laboratorien weithin verfolgter Ansatz besteht in der Verwendung der Lichtstreuung durch die Rußpartikel. Diese Vorgehensweise eignet sich für aufwändige Messgeräte. Wenn versucht wird, dies auch als mobiles Sensorsystem im Abgas einzusetzen, muss festgestellt werden, dass derartige Ansätze zur Realisierung eines Sensors in einem Kraftfahrzeug durch den aufwändigen optischen Aufbau mit hohen Kosten verbunden ist. Weiterhin bestehen ungelöste Probleme bezüglich der Verschmutzung der benötigten optischen Fenster durch Verbrennungsabgase.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 199 59 871 A1 offenbart einen Sensor und Betriebsverfahren für den Sensor, wobei beide auf thermischen Betrachtungen basieren. Der Sensor besteht aus einem offenen porösen Formkörper wie beispielsweise einer wabenförmigen Keramik, einem Heizelement und einem Temperaturfühler. Wird der Sensor mit einem Messgasvolumen in Verbindung gebracht, so lagert sich Ruß darauf ab. Zur Messung wird der in einem Zeitraum abgelagerte Ruß mit Hilfe des Heizelementes zum Zünden gebracht und verbrannt. Die bei der Verbrennung entstehende Temperaturerhöhung wird gemessen.
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Derzeit sind Partikelsensoren für leitfähige Partikel bekannt, bei denen zwei oder mehrere metallische Elektroden vorgesehen sind, die kammartig ineinandergreifende Elektroden aufweisen. Diese kammartigen Strukturen werden auch als Interdigitalstrukturen bezeichnet. Rußpartikel, die sich auf diesen Sensorstrukturen ablagern, schließen die Elektroden kurz und verändern damit die Impedanz der Elektrodenstruktur. Mit steigender Partikelkonzentration auf der Sensorfläche wird auf diese Weise ein abnehmender Widerstand bzw. ein zunehmender Strom bei konstanter angelegter Spannung zwischen den Elektroden messbar. Ein derartiger Rußsensor wird zum Beispiel in der
DE 10 2004 028 997 A1 offenbart. Um überhaupt einen Strom zwischen den Elektroden messen zu können, muss jedoch eine gewisse Menge von Partikeln zwischen den Elektroden vorhanden sein. Bis zum Erreichen dieser minimalen Partikelbeladung ist der Rußsensor gewissermaßen blind für die Rußkonzentration im Abgasstrom. In der
DE 10 2005 030 134 A1 wird die minimale Partikelbeladung zwischen den Elektroden durch im Elektrodenzwischenraum künstlich angeordnete leitfähige Partikel erreicht. Die Anordnung dieser Partikel ist jedoch technisch sehr schwierig und teuer. Zudem können während der Lebendsauer des Rußsensors diese Partikel zum Beispiel bei Erschütterungen des Sensors oder durch chemische Prozesse verloren gehen, womit die Eigenschaften des Sensors verändert werden und eine zuverlässige Messung der Rußbeladung im Abgasstrom gestört oder vollständig verhindert wird.
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Darüber hinaus muss der Rußsensor in regelmäßigen Abständen gereinigt werden. Die Regeneration des Sensors erfolgt durch das Abbrennen des angelagerten Rußes. Zur Regeneration wird das Sensorelement nach der Rußanlagerung in der Regel mit Hilfe eines integrierten Heizelementes freigebrannt. Während der Freibrennphase kann der Sensor die Rußbeladung des Abgasstroms nicht erfassen. Die Zeit die zum regenerativen Freibrennen der Sensorstruktur benötigt wird, wird auch als Totzeit des Sensors bezeichnet. Es ist also wichtig, die Freibrennphase und die sich daran anschließende Neukonditionierungsphase des Rußsensors so kurz wie möglich zu gestalten, um den Rußsensor so schnell wie möglich wieder zur Rußmessung einsetzen zu können.
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Ein weiteres Problem ist die Einbaulage des Rußsensors in einem Abgaskanal. Je nach Orientierung der Messeelektroden relativ zum Abgasstrom kann der Rußsensor bei gleicher Rußbeladung des Abgasstromes schneller oder weniger schnell mit Rußpartikeln beaufschlagt werden. Daher ist es bei bekannten Rußsensoren notwendig den Rußsensor entweder orientiert zum Abgasstrom zu verbauen und/oder den Rußsensor nach dem Einbau im Abgasrohr hinsichtlich seiner Lage zu kalibrieren. Diese beiden Lösungen sind aufwendig und teuer und sie werden zum Beispiel von Automobilherstellern nur ungern eingesetzt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Rußsensor anzugeben, der ohne zusätzliche Lagekalibrierung in ein Abgasrohr eingebaut werden kann.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst.
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Dadurch, dass die Schutzkappe des Rußsensors mindestens eine Außenkappe und eine Innenkappe aufweist und ein Teil des mit den Rußpartikeln beladene Abgasstroms zunächst über eine äußere Zutrittsöffnung in die Außenkappe gelangt und danach durch eine innere Zutrittsöffnung in die Innenkappe geführt wird, wobei die Elektrodenstruktur innerhalb der Innenkappe angeordnet ist, kann der Rußsensor weitgehend unabhängig von seiner Orientierung relativ zum Abgasstrom in das Abgasrohr eingesetzt werden.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist das die Elektrodenstruktur als interdigitale Elektrodenstruktur auf einem Substrat ausgebildet. Interdigitale Elektrodenstrukturen eigenen sich besonders gut zur Messung der Rußbeladung eines Abgasstromes und sie sind relativ einfach und günstig herstellbar.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist innerhalb der Außenkappe und außerhalb der Innenkappe mindestens ein Element zur Strömungsführung für den Abgasstrom angeordnet ist. Das Element zur Strömungsführung kann als Leitflügel, Leitklappe, Leitkanal und/oder Leitdüse ausgebildet sein. Durch das Element zur Strömungsführung kann ein Teil des mit Rußpartikeln beladenen Abgasstroms besonders gleichmäßig zum Sensorelement des Rußsensors geführt werden.
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Wenn eine Vielzahl von äußeren Zutrittsöffnungen im Mantel einer zylindrisch ausgebildeten Außenkappe angeordnet ist, ist die Anordnung des Rußsensors im Abgaskanal besonders unabhängig von der Orientierung des Sensorelementes relativ zum Abgasstrom.
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Die nachfolgenden Darstellungen zeigen in:
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1 einen Rußsensor,
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2 eine Veranschaulichung der Wirkungsweise des Rußsensors,
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3 einen erfindungsgemäßen Rußsensor,
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4 einen weiteren erfindungsgemäßen Rußsensor,
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5 eine zylinderförmig ausgebildete Außenkappe,
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6 eine zylinderförmig ausgebildete Innenkappe,
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7 die Schutzkappe.
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1 zeigt einen Rußsensor 10, der ein Sensorelement mit einem Substrat 1, einem hier nicht dargestellten Heizelement 2 sowie einer Struktur aus interdigital ineinander greifenden Messelektroden 3 aufgebaut ist. Das Substrat 1 kann aus einem Keramikmaterial hergestellt sein, oder aus einem anderen Material bestehen, das elektrisch leitfähige Eigenschaften aufweist und der Abbrandtemperatur von Ruß problemlos standhält.
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Um den Rußsensor 10 von Ruß frei zu brennen wird der Rußsensor 10 typischer Weise mit Hilfe einer elektrischen Widerstandsheizung auf Temperaturen zwischen 500 und 800°C erhitzt. Diese Temperaturen muss das Substrat 1 ohne Beschädigungen vertragen. Die Struktur der Messelektroden 3 ist hier beispielhaft als kammartige Struktur ausgebildet, die auch als interdigitale Elektrodenstruktur bezeichnet wird, wobei zwischen zwei Messelektroden 3 immer ein Bereich des Substrates 1 zu erkennen ist. Die Messelektroden 3 und die Zwischenräume zwischen den Messelektroden 3 bilden die interdigitale Elektrodenstruktur. Die Breite B einer Messelektrode 3 kann zum Beispiel zwischen 50 und 100 µm liegen und der Abstand A zwischen den einzelnen Messelektroden kann ebenfalls 50 und 100 µm betragen. Eine interdigitale Elektrodenstruktur mit derartigen Abmessungen kann leicht in Dickschichttechnologie hergestellt werden. In Dickschichttechnologie hergestellte interdigitale Elektrodenstrukturen sind robust, langlebig und kostengünstig.
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Der Messstrom IM zwischen den Messelektroden 3 wird mit Hilfe eines Strommesselementes 7 gemessen. Solange der Rußsensor 10 völlig frei von Rußpartikeln 4 ist, wird mit dem Strommesselement 7 ein Messstrom IM messbar sein, der von der Restleitfähigkeit des Substrates 1 bestimmt wird.
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Weiterhin zeigt 1 einen Temperatursensor 11 als Bestandteil des Rußsensors 10 mit einer Temperaturauswerteelektronik 12, die zur Überwachung der im Rußsensor 10 herrschenden Temperatur vor allem beim Abbrand der Rußbeladung von der interdigitalen Elektrodenstruktur des Rußsensors 10 dient.
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Zudem ist in 1 eine regelbare Spannungsquelle 15 zu erkennen, die die an den Messelektroden 3 anliegende Spannung bestimmt. Mit der regelbaren Spannungsquelle 15 kann sowohl die normale Messspannung UN, als auch die erhöhte Messspannung UE an die Messelektroden 3 angelegt werden. Die normale Messspannung UN kann zum Beispiel zwischen 20 und 60 Volt und in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen 40 und 60 Volt liegen. Die erhöhte Messspannung UE kann zwischen 60 und 90 Volt und in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen 70 und 90 Volt liegen.
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2 zeigt nun die Wirkungsweise des Rußsensors 10. Hier ist der Rußsensor 10 in einem Abgasrohr 5, zum Beispiel eines Kraftfahrzeuges, angeordnet, durch das ein mit Rußpartikeln 4 beladener Abgasstrom geleitet wird. Die Strömungsrichtung des Abgasstromes 6 wird durch den Pfeil angedeutet. Die Aufgabe des Rußsensors 10 ist es nun, die Konzentration der Rußpartikel 4 im Abgasstrom 6 zu messen. Dazu ist der Rußsensor 10, der auch eine Schutzkappe 14 aufweist, so im Abgasrohr 5 angeordnet, dass die Struktur aus interdigital angeordneten Messelektroden 3 mit dem Abgasstrom 6 und somit den Rußpartikeln 4 in Wechselwirkung steht. Aus dem Abgasstrom 6 setzen sich Rußpartikel 4 sowohl auf den Messelektroden 3 als auch in den Zwischenräumen zwischen den Messelektroden 3, also auf dem Substrat 1 oder der Schicht 21 zwischen dem Substrat 1 und der interdigitalen Elektrodenstruktur 3 eine ab.
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Wenn sich Rußpartikel 4 auf den Bereichen zwischen die Messelektroden 3 abgesetzt haben, wird aufgrund der an den Messelektroden 3 angelegten Messspannung und der Leitfähigkeit der Rußpartikel 4 der Messstrom IM zwischen den Messelektroden 3 ansteigen, was durch das Strommesselement 7 erfassbar ist. Die Rußpartikel 4 überbrücken somit die Zwischenräume zwischen den Messelektroden 3. Auf diese Art und Weise kann mit dem hier abgebildeten Rußsensor 10 die Beladung des Abgasstromes 6 mit Rußpartikeln 4 gemessen werden.
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Zudem zeigt der Rußsensor 10 in 2 das Heizelement 2, das mit dem Heizstromkreis 13 aus der Heizstromquelle 8 mit elektrischem Heizstrom IH versorgt werden kann. Um den Rußsensor 10 auf die Abbrandtemperatur der Rußpartikel 4 zu erhitzen, wird der Heizstromschalter 9 geschlossen, womit der Heizstrom IH das Heizelement 2 erwärmt und somit der gesamte Rußsensor 10 erhitzt wird. Darüber hinaus ist ein Temperatursensor 11 im Rußsensor 10 integriert, der mit Hilfe der Temperaturauswerteelektronik 12 den Vorgang des Aufheizens des Rußsensors 10 und damit den Abbrandvorgang der Rußpartikel 4, der auch als Freibrennen des Rußsensors 10 bezeichnet wird, kontrolliert und überwacht.
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Das Strommesselement 7, die Temperaturauswerteelektronik 12, die regelbare Spannungsquelle 14, der Temperatursensor 11 sowie der Heizstromschalter 9 sind hier exemplarisch als diskrete Bauteile dargestellt. Selbstverständlich können diese Bauteile als Bestandteile eines mikromechanischen Systems zusammen mit den Messelektroden 3 auf einem gemeinsamen Substrat 1 realisiert werden oder Bestandteile einer mikroelektronischen Schaltung sein, die beispielsweise in einem Steuergerät 23 für den Rußsensor 10 integriert ist.
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Aus 2 ist weiterhin ersichtlich, dass die Orientierung des Rußsensors 10 in Bezug auf die Richtung des Abgasstromes 6 wesentlich für die Ablagerungsgeschwindigkeit der Rußpartikel 4 auf dem Substrat 1 und der Struktur aus Messelektroden 3 ist. Wenn der Rußsensor 10 im Abgasrohr 5 um 90° um seine vertikale Richtung gedreht wäre, könnten die Rußpartikel beispielsweise leicht entlang der interdigitalen Messelektroden 3 wandern und vom Abgasstrom 6 vom Substrat geblasen werden. Durch einen solchen Effekt würde die Rußbeladung des Rußsensors wesentlich länger dauern als bei der in 2 dargestellten Situation. Daher ist es notwendig, den Rußsensor entweder orientiert zum Abgasstrom zu verbauen und/oder den Rußsensor 10 nach dem Einbau im Abgasrohr 5 hinsichtlich seiner Lage zu kalibrieren. Beide Vorgehensweisen sind aufwändig und teuer und werden in der Regel von den Automobilherstellern nicht gewünscht. Gewünscht wird hingegen ein Rußsensor 10, der unabhängig von seiner Lage zum Abgasstrom 6 in das Abgasrohr 5 eingebaut werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe zeigen die 3 und 4 Rußsensoren, die lageunabhängig im Abgasstrom 6 verbaut werden können.
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3 zeigt einen Rußsensor 10, der ein Substrat 1 aufweist, auf dem eine Messelektrodenstruktur 3 zu erkennen ist. Weiterhin weist das Substrat 1 in 3 die Merkmale des aus 2 bekannten Substrates auf, nämlich ein Heizelement 2 und einen Temperatursensor 11. Der Rußsensor 10 in 3 zeigt weiterhin eine Schutzkappe 14, die das Substrat 1 und das Heizelement 2 vor dem einer direkten Anströmung durch den Abgasstrom 6 schützt. Dazu ist die Schutzkappe 14 aus einer Innenkappe 27 und einer Außenkappe 26 aufgebaut. In der Innenkappe 27 ist das Sensorelement des Rußsensors 10 angeordnet, das aus dem Substrat 1 und den Messelektroden 3 besteht. Die Innenkappe 27 weist eine innere Zutrittsöffnung 28 auf. Um die Innenkappe 27 ist eine Außenkappe 26 angeordnet, die eine äußere Zutrittsöffnung 30 aufweist. Der durch das Abgasrohr 5 strömende Abgasstrom 6 trifft zunächst auf die Außenkappe 26, wobei ein Teil des Abgastromes 6 durch die äußere Zutrittsöffnung 30 in die Außenkappe 26 gelangt und mit Hilfe Elementen 29 zur Strömungsführung hin zur inneren Zutrittsöffnung 28 geführt wird. Dort tritt der Teil des Abgasstromes in die Innenkappe 27 ein, wonach Rußpartikel 4 aus dem Abgasstrom 6 bis zum Substrat 1 und den Messelektroden 3 gelangen. Die Rußpartikel 4 können sich nun unabhängig von der Orientierung des Rußsensors 10 im Abgasstrom homogen auf der Oberfläche des Substrates 1 und den Messelektroden 3 absetzen. Der Teilabgasstrom gelangt nach den Überströmen der Messelektroden 3 durch die Auslassöffnung 16 des Rußsensors 10 zurück in den Abgaskanal 5. Mit Hilfe elektrischer Verbindungen 25 ist der Rußsensor 10 mit einem Steuergerät 23 verbunden. Das Steuergerät 23 kann die aus den 1 und 2 bekannten Elemente wie zum Beispiel das Strommesselement 7, die Heizstromquelle 8, den Heizstromschalter 9, die Temperaturauswertelektronik 12 und/oder die Spannungsquelle 15 enthalten. Weiterhin kann das Steuergerät 23 die Messwerte des Rußsensors 10 auswerten und zu einer nach folgenden, hier nicht dargestellten, Fahrzeugelektronik weiterleiten.
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Auch 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Rußsensor 10, bei dem das Substrat 1 und das Heizelement 2 im inneren einer Innenkappe 27 angeordnet sind. Die Innenkappe 27 weist eine innere Zutrittsöffnung 28 auf. Um die Innenkappe 27 herum ist eine Außenkappe 26 angeordnet. Die Außenkappe 26 weist eine äußere Zutrittsöffnung 30 auf. Die Innenkappe 27 und die Außenkappe 26 können zylinderförmig ausgebildet sein. Dabei kann die Außenkappe 26 eine Vielzahl von Zutrittsöffnungen 30 aufweisen, die im Mantel der zylindrisch ausgebildeten Außenkappe 26 angeordnet sind. Weiterhin ist in 4 in Element 29 zur Strömungsführung zu erkennen. Dieses Element 29 zur Strömungsführung kann zum Beispiel als Leitflügel, Leitklappe oder Leitdüse ausgebildet sein.
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5 zeigt eine zylinderförmig ausgebildete Außenkappe 26. Eine Vielzahl von äußeren Zutrittsöffnungen (30) ist in der Mantelfläche der zylindrisch ausgebildeten Außenkappe (26) angeordnet.
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6 zeigt eine zylinderförmig ausgebildete Innenkappe 27. In der Mantelfläche der Innenkappe ist die innere Zutrittsöffnung 28 zu erkennen. Am unteren Ende der Innenkappe 27 ist die Austrittsöffnung 16 zu erkennen, durch die der von Hauptabgasstrom 6 abgezweigte Teil des Abgasstromes, der durch den Ruß geführt wird, zurück in das Abgassrohr 5 geleitet wird.
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7 zeigt die Schutzkappe 14 mit der Innenkappe 27 und der Außenkappe 26. In der Mantelfläche der Außenkappe 26 ist eine Vielzahl von äußeren Zutrittsöffnungen 30 zu erkennen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19959871 A1 [0006]
- DE 102004028997 A1 [0007]
- DE 102005030134 A1 [0007]
