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Die Erfindung betrifft ein Leitungselement für Abgase, das beispielsweise als sogenanntes Entkopplungselement in Kraftfahrzeugen zum Ausgleich von Einbautoleranzen und zur Entkopplung von Schwingungen zwischen dem Motor und nachfolgenden Teilen des Abgassystems eingesetzt werden kann.
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Aus der
DE 20 2015 104 177 U1 sind verschiedene Ausführungsform von Leitungselementen bekannt, welche aus einem Innenschlauch und einem Außenschlauch bestehen, wobei in der Regel mindestens einer der Schläuche gasdicht ist. Weiterer Stand der Technik findet sich in der
DE 10 2008 001 297 A1 (Wendelgewellter Membranbalg),
DE 10 2011 053 131 A1 (Membranbalg),
DE 10 2010 037 162 A1 (Dämpfungselement für Leitungselemente),
DE 10 2015 102 258 A1 (Berührung von Innenschlauch und Außenschlauch),
WO 2017/016728 A1 (Leitungselement mit Reibkontaktschutz) und
WO 2018/077613 A1 (Leitungselement aus mehreren koaxialen Schläuchen). Ferner ist aus der
DE 10 2007 043 944 A1 ein flexibles Leitungselement bekannt, bei dem zur Wärmeisolation und Schwingungsdämpfung eine aus mehreren Lagen aufgebaute Schicht mit der Gestalt eines Hohlzylinders zwischen einem die Abgase führenden, flexiblen Innenteil und einem flexiblen, gasdichten Mantelteil angeordnet ist. Alle genannten Dokumente werden durch Bezugnahme vollständig in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Leitungselemente bereitzustellen, die bei verhältnismäßig einfachem Aufbau ein günstiges Verhalten insbesondere in Verbindung mit hohen Abgastemperaturen gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird durch ein Leitungselement nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Das erfindungsgemäße Leitungselement für den Einsatz in einer Abgasanlage enthält die folgenden Komponenten:
- - Einen Außenschlauch.
- - Einen koaxial und unter Ausbildung eines Zwischenraumes im Außenschlauch angeordneten Innenschlauch.
- - Einen Abgaseinlass und einen Abgasauslass, durch welche beim Betrieb des Leitungselementes zugeführtes Abgas in Form eines Abgashauptstromes durch den Innenschlauch und eines Abgasnebenstromes durch den vorstehend genannten Zwischenraum geleitet wird. Wie die Bezeichnungen ohne Beschränkung der Allgemeinheit andeuten, ist dabei der Volumenstrom des Abgashauptstromes in der Regel (deutlich) größer als der des Abgasnebenstromes.
- - Eine Drosseleinrichtung zur Verringerung der Flussgeschwindigkeit des Abgasnebenstromes im Vergleich zum Abgashauptstrom.
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Der zwischen Innenschlauch in Außenschlauch ausgebildete Zwischenraum erstreckt sich vorzugsweise durchgehend über die gesamte axiale Länge von Innenschlauch und Außenschlauch. Zusätzlich oder alternativ erstreckt sich der Zwischenraum (im Ruhezustand des Leitungselementes) vorzugsweise geschlossen radial umlaufendend um den Innenschlauch, sodass rundum kein Kontakt zwischen Innenschlauch und Außenschlauch stattfindet. Typischerweise hat bzw. enthält der Zwischenraum somit die Form eines Ringspaltes.
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Der Abgaseinlass bzw. der Abgasauslass sind im Allgemeinen als Verzweigungsstellen ausgebildet, an welchen ein Abgasgesamtstrom in einen Abgashauptstrom durch den Innenschlauch und einen Abgasnebenstrom durch den Zwischenraum aufgeteilt wird bzw. umgekehrt diese beiden Ströme wieder zu einem Gesamtstrom vereinigt werden.
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Die erwähnte Flussgeschwindigkeit des Abgasnebenstromes bzw. Abgashauptstromes ist zu verstehen als eine mittlere Bewegungsgeschwindigkeit von Teilchen (Molekülen etc.) in den entsprechenden Strömen. Sie kann beispielsweise definiert werden als die von einem solchen Teilchen zwischen Anfang des Abgasnebenstromes bzw. Abgashauptstromes bis zu dessen Ende zurückgelegte Strecke dividiert durch die dazu benötigte Zeit.
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Bei dem erfindungsgemäßen Leitungselement wird ein Teil des gesamten Abgasstromes im Vergleich langsamer durch den Zwischenraum geführt, welcher den Innenschlauch mit dem Abgashauptstrom umgibt. Wenn daher durch den Betrieb des Motors bedingte Temperaturspitzen im Abgas auftreten, zeigen sich diese verzögert im Abgasnebenstrom des Zwischenraumes. Dies hat im Ergebnis die Wirkung, dass derartige Temperaturspitzen auf ihrem Weg zur Außenseite des Leitungselementes abgeflacht werden und dass die Wärmeabgabe nach außen zeitlich gleichmäßiger verteilt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Leitungselement aus mindestens drei Schläuchen aufgebaut, indem zwischen Außenschlauch und Innenschlauch noch ein Mittelschlauch angeordnet ist, wobei der Zwischenraum zur Leitung des Abgasnebenstromes zwischen Innenschlauch und Mittelschlauch ausgebildet ist. Dies führt zu einer weiteren Pufferung des Wärmestromes auf seinem Weg zur Außenseite des Leitungselementes und damit zu einer Verringerung der dort auftretenden Temperaturspitzen.
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Die Drosseleinrichtung kann auf verschiedene Weisen realisiert werden. Eingeschlossen ist dabei die Möglichkeit, dass sich die Drosseleinrichtung „von allein“ durch die Konstruktion des Außenschlauches und Innenschlauches ergibt, beispielsweise wenn das Abgas im Zwischenraum einem größeren Strömungswiderstand begegnet als im Innenschlauch. Zusätzlich oder alternativ könnte sie durch Strömungswiderstände im Zwischenraum realisiert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat der Abgaseinlass, durch den der Abgasnebenstrom in den Zwischenraum tritt, einen größeren Öffnungsquerschnitt als der Abgasauslass für den Abgasnebenstrom aus dem Zwischenraum. Hierdurch kommt es zu einem Staueffekt im Zwischenraum, welcher die gewünschte Drosselung und Reduzierung der Flussgeschwindigkeit bewirkt. Der „Öffnungsquerschnitt“ von Abgaseinlass bzw. Abgasauslass ist dabei als der gesamte (senkrecht zum Abgasstrom gemessene) Öffnungsquerschnitt zu verstehen, welcher sich gegebenenfalls aus mehrere Einzelöffnungen zusammensetzen kann. Diesbezüglich kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Abgaseinlass mehr Einzelöffnungen hat als der Abgasauslass (wobei die Einzelöffnungen als solche gleich groß sind).
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Bei den Schläuchen des Leitungselementes, insbesondere beim Innenschlauch und/oder beim Mittelschlauch (falls vorhanden), handelt es sich vorzugsweise um Wickelschläuche, insbesondere um metallische Wickelschläuche. Derartige Wickelschläuche sind in verschiedenen Ausführungsformen (einlagig, mehrlagig, agraffförmig, mit Innenschuppen und/oder Außenschuppen etc.) bekannt. Typische Ausführungsformen sind beispielsweise in der
DE 20 2015 104 177 U1 beschrieben.
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Der Innenschlauch ist vorzugsweise im Wesentlichen gasdicht ausgebildet, damit Abgashauptstrom und Abgasnebenstrom sich nicht mischen. Wenn ein Mittelschlauch vorhanden ist, ist dieser vorzugsweise im Wesentlichen gasdicht ausgebildet, damit keine Leckage in den Außenraum auftritt. Eine Gasdichtheit soll dabei „im Wesentlichen“ vorliegen, wenn von dem in den Schlauch eingeleiteten Abgas-Volumenstrom weniger als 4%, vorzugsweise weniger als 2%, weniger als 1 %, oder weniger als 0.1 % den Schlauch durch dessen Wandung verlässt.
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Die vorstehend erwähnte (annähernde oder vollständige) Gasdichtheit kann bei einem Wickelschlauch beispielsweise dadurch erreicht werden, dass benachbarte Profilbandwindungen des Wickelschlauches spaltfrei miteinander verbunden sind. Die „spaltfreie“ Verbindung oder Berührung benachbarter Profilbandwindungen ist dabei in einem makroskopischen Sinne zu verstehen derart, dass der maximale Abstand (Luftspalt) zwischen den benachbarten Profilbandwindungen weniger als 0.1 mm, vorzugsweise weniger als 0.05 mm, besonders bevorzugt weniger als 0.01 mm betragen soll. Eine solche Spaltfreiheit hat zur Folge, dass der Wickelschlauch für praktische Zwecke als gasdicht angesehen werden kann, da eine eventuell noch stattfindende Leckage von Abgas aus dem Wickelschlauch heraus in einer vernachlässigbaren Größenordnung bleibt.
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Optional kann zur Steigerung der Flexibilität des Leitungselementes der Innenschlauch und/oder der Mittelschlauch (falls vorhanden) an einem axialen Ende relativ zum Außenschlauch fixiert sein und am gegenüberliegenden anderen axialen Ende relativ zum Außenschlauch axial verschiebebeweglich gelagert sein. Eine gegebenenfalls größere Steifheit des Innenschlauches und/oder des Mittelschlauches gegenüber dem Außenschlauch kann auf diese Weise ausgeglichen werden, da sich ein Ende des Innenschlauches und/oder des Mittelschlauches relativ zum Außenschlauch axial frei verschieben kann. Vorzugsweise wird das in Bezug auf das Abgas stromabwärts gelegene Ende des Innenschlauches verschiebebeweglich gelagert.
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Grundsätzlich können alle Schläuche des Leitungselementes als ein Wellbalg, ein Wickelbalg, oder ein Membranbalg ausgebildet sein. Wellbälge werden typischerweise durch eine in Verbindung mit einer Stauchoperation erfolgende Innenhochdruckumformung aus einem Rohr hergestellt. Wickelbälge und Membranbälge sind im Profilbereich verschweißte, rotationssymmetrische oder wendelgewellte Elemente, die entweder zur Rotationsachse senkrecht ausgeprägte Wellungen oder spiralförmige Wellungen aufweisen. Eine gewickelte Balgstruktur kann vorzugsweise formschlüssig eingehakt oder überlappend oder stoffschlüssig verschweißt sein. Derartige Elemente werden beispielsweise in der
DE 10 2008 001 297 A1 oder der
DE 10 2011 053 131 A1 beschrieben. Insbesondere kann der Außenschlauch als ein Wellbalg, ein Wickelbalg, oder ein Membranbalg ausgebildet sein, wodurch er eine hohe Flexibilität bei gleichzeitiger Gasdichtheit bereitstellt.
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Mindestens zwei benachbarte Schläuche von Innenschlauch, Mittelschlauch (falls vorhanden) und Außenschlauch stehen vorzugsweise punktuell, linienförmig, teilflächig oder vollflächig miteinander in Kontakt. Hierdurch wird bereits ohne weitere Zusatzmaßnahmen oder Komponenten (wie beispielsweise ein Dämpfungsmaterial) konstruktiv eine Schwingungsdämpfung erreicht.
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Gemäß einer Weiterbildung der vorstehenden Ausführungsform ist ein reibminderndes Material im Kontaktbereich der betreffenden Schläuche vorgesehen. Das reibmindernde Material kann beispielsweise als Beschichtung oder in Form einer geeigneten Werkstoffauswahl des Schlauchmaterials bzw. der Außenlage eines mehrlagigen Schlauchmaterials ausgebildet werden. Von zwei Lagen eines Schlauches bzw. Profilbandes kann insbesondere eine als Trägerschicht fungieren und die zweite Lage die reibmindernde Schicht (Verschleißträgerschicht) ausbilden. Vorzugsweise ist das reibmindernde Material weicher als das Material des Reibpartners. Geeignete reibmindernde Materialien umfassen Edelstahl, Stahl, Zink, Zinkphosphat, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Titan, Tantal, Keramik, Nickel, Nickelbasislegierungen, Graphit, Aramide, Messing, Bronze und/oder Molybdänsulfid. Weitere Einzelheiten zu einer solchen Ausführungsform finden sich in der
WO 2017/016728 A1 .
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Jeder der Schläuche des Leitungselementes, insbesondere der Innenschlauch und/oder der Mittelschlauch (falls vorhanden), kann zumindest in einem axialen Abschnitt des Leitungselementes einen nicht kreisförmigen („unrunden“) Querschnitt aufweisen, vorzugsweise einen ovalen oder mehreckigen Querschnitt. Bei Platzierung eines Schlauches mit unrundem Querschnitt in einem Schlauch mit rundem Querschnitt (oder andersartig unrundem Querschnitt) kann über einen Linienkontakt für ein gedämpftes Schwingungsverhalten gesorgt werden. Weitere Einzelheiten solcher Ausführungsformen können der
DE 10 2015 102 258 A1 , der
DE 10 2018 102 101 A1 oder der
DE 10 2012 013 946 A1 entnommen werden.
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Typischerweise ist das Leitungselement so ausgestaltet, dass es an mindestens einem, vorzugsweise an beiden axialen Enden auf einen vorgegebenen Anschlussdurchmesser ausläuft, an welchem die Anbindung an ein Abgassystem (Motor bzw. restliche Abgasleitungen) erfolgen kann. Diesbezüglich ist es bevorzugt, wenn Innenschlauch, Mittelschlauch und/oder Außenschlauch an mindestens einem ihrer axialen Enden ein Anschlusselement aufweisen, welches einen gasdichten Übergang zu einem Anschlussende des Leitungselementes ermöglicht. Das Anschlusselement kann beispielsweise ein Rohrstück sein, welches einen Übergang vom Anschlussradius zum Radius eines Schlauches beinhaltet.
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 einen Längsschnitt entlang der Erstreckungsachse eines erfindungsgemäßen Leitungselementes;
- 2 eine vergrößerte separate Darstellung des Mittelschlauches von 1;
- 3 eine Aufsicht auf den Einlassring von 1;
- 4 eine Aufsicht auf den Auslassring von 1.
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In 1 ist das beispielhafte Leitungselement 100 in einem axialen Längsschnitt entlang seiner Wandung dargestellt, wobei das Leitungselement 100 insgesamt rotationssymmetrisch um die Mittelachse vorzustellen ist. Das Leitungselement 100 besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten bzw. Schläuchen:
- - Einem radial außen gelegenen Außenschlauch 100 (oder „AS“), welcher hier in Form eines wendelgewellten Membranbalges realisiert ist.
- - Einem innerhalb des Außenschlauches AS und in Kontakt hierzu angeordneten Mittelschlauch 130 („MS“).
- - Einem Innenschlauch 120 („IS“), welcher im Mittelschlauch MS und mit einem radialen Abstand zu diesem angeordnet ist. Durch den radialen Abstand wird zwischen Innenschlauch und Mittelschlauch ein Zwischenraum ZR in Form eines Ringspaltes ausgebildet.
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Der Innenschlauch IS und der Mittelschlauch MS sind im dargestellten Beispiel als Wickelschläuche ausgeführt. Vorzugsweise ist ihr Aufbau identisch. Der Mittelschlauch MS ist dabei in 2 separat und vergrößert dargestellt. Er ist im Ausführungsbeispiel zweilagig ausgeführt, das heißt, das Profilband 131 besteht aus einer Innenlage 134 aus einem harten Trägermaterial und einer reibmindernden und in der Regel weicheren Außenlage 135. Hierdurch wird ein Reibschutz im Kontaktbereich zum außen benachbarten Außenschlauch AS erzielt. Die Dicke der Außenlage 135 (z.B. Kupfer) kann beispielsweise ca. 0.01 mm betragen bis hin zu 0.5 mm, die der Innenlage 134 (z.B. Edelstahl der Sorte 1.4828) ca. 0.1 mm bis hin zu 0.5 mm betragen.
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Die Ränder 133 des Profilbands 131 sind um 180° umgebogen zwecks Verhakung mit dem Rand einer benachbarten Profilbandwindung. Anders als bei einem herkömmlichen Wickelschlauch wird die Verhakung jedoch nicht mit einem Spiel ausgeführt, welches eine relative axiale Bewegung benachbarter Profilbandwindungen erlauben würde. Stattdessen sind benachbarte Profilbandwindungen durch Verpressung spaltfrei miteinander verbunden. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine stoffschlüssige Verbindung benachbarter Profilbandwindungen im Überlappungsbereich erfolgen, beispielsweise durch Schweißen oder Löten.
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Durch die spaltfreie Fixierung benachbarter Profilbandwindungen aneinander wird der Mittelschlauch MS für praktische Zwecke im Wesentlichen gasdicht und kann daher das Durchtreten von Abgasen und/oder Flüssigkeiten weitgehend verhindern.
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Um eine ausreichende axiale Flexibilität des Leitungselementes 100 trotz der Fixierung benachbarter Profilbandwindungen des Mittelschlauches MS und/oder des Innenschlauches IS zu gewährleisten, ist in der dargestellten Ausführungsform (neben den Kompressionsabschnitten 132) ein einseitiger Schiebesitz vorgesehen. Dabei sind die stromaufwärtigen Enden des Innenschlauches IS und des Mittelschlauches MS über das Anschlusselement 101 mit dem Außenschlauch AS fest verbunden, während die stromabwärtigen Enden über einen Schiebesitz im dortigen Anschlusselement 102 axial verschiebebeweglich gegenüber dem Außenschlauch gelagert sind.
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An dem stromaufwärtigen, eingangsseitigen Ende (links in 1) sind der Außenschlauch AS und der Mittelschlauch MS unmittelbar am Anschlusselement 101 befestigt, welches wiederum der Ankopplung an den Auslass eines Motors (nicht dargestellt) dient. Weiterhin ist der Innenschlauch IS unter Zwischenfügung eines ersten Drosselringes 151 („DR“) mit dem Anschlusselement 101 fest verbunden.
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Der Drosselring 151 ist in 3 separat in einer Aufsicht dargestellt. Er ist im Wesentlichen ringförmig entsprechend der Form des Zwischenraumes ZR zwischen Innenschlauch IS und Mittelschlauch MS. Ferner weist er mehrere (z.B. vier) Durchgangöffnungen 151a auf, durch welche Abgas in den Zwischenraum ZR eintreten kann.
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Auf der Ausgangseite des Zwischenraumes ZR befindet sich ein zweites Anschlusselement 102, an dem der Außenschlauch AS fixiert ist und welches seinerseits dem Anschluss an ein stromabwärts gelegenes Abgassystem (nicht dargestellt) dient. Der Mittelschlauch MS und der Innenschlauch IS sind axial verschiebebeweglich über einen Schiebesitz mit dem Anschlusselement 102 gekoppelt.
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Zwischen Innenschlauch IS und Mittelschlauch MS befindet sich dabei auf der Ausgangseite ein zweiter Drosselring 152, welcher in 4 separat in einer Aufsicht dargestellt ist. Der ausgangseitige Drosselring 152 hat weniger Durchgangöffnungen 152a für den Austritt von Abgas als der eingangsseitige Drosselring 151 Durchgangöffnungen 151a für den Abgaseintritt hat. Dies ist ein Beispiel für die Realisierung des allgemeinen Prinzips, dass der gesamte Öffnungsquerschnitt für den Abgasstrom auf der Eingangsseite des Zwischenraumes ZR größer sein soll der Öffnungsquerschnitt für den Abgasauslass von Abgas auf der Ausgangseite.
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Während des Betriebs des Leitungselementes 100 wird diesem vom Motor ein gesamter Abgasstrom zugeführt, welcher sich an der Eingangsseite (links in 1) des Leitungselementes 100 in einen Abgashauptstrom durch den Innenschlauch IS und in einen Abgasnebenstrom durch den Zwischenraum ZR aufteilt. Am Ende des Leitungselementes 100 fließen diese beiden Abgasströme wieder zusammen. Durch die verschiedenen Öffnungsquerschnitte am Eingang und Abgasauslass des Zwischenraumes ZR kommt es zu einer Stauung des Abgasnebenstromes im Zwischenraum und somit im Ergebnis zu einer geringeren mittleren Flussgeschwindigkeit der Abgasteilchen im Zwischenraum ZR im Vergleich zur Flussgeschwindigkeit im Innenschlauch IS. Auf diese Weise können Temperaturspitzen abgefangen und die Wärmeabgabe gleichmäßiger verteilt werden.
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Der Mittelschlauch MS und der Außenschlauch AS können punktuell, linienförmig und/oder flächig in Kontakt stehen. Die Kontaktbereiche sind dabei vorzugsweise aus einem reibmindernden Material ausgebildet, beispielsweise aus Kupfer.
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Des Weiteren kann mindestens einer der Schläuche eine andere Querschnittsgeometrie haben als die anderen Schläuche. Insbesondere kann der Mittelschlauch MS einen nicht-kreisförmigen („unrunden“) Querschnitt haben, während die anderen Schläuche kreisförmige Querschnitte haben. Hierdurch kommt es aus geometrischen Gründen zu einem begrenzten Linienkontakt zwischen den benachbarten Schläuchen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202015104177 U1 [0002, 0012]
- DE 102008001297 A1 [0002, 0016]
- DE 102011053131 A1 [0002, 0016]
- DE 102010037162 A1 [0002]
- DE 102015102258 A1 [0002, 0019]
- WO 2017/016728 A1 [0002, 0018]
- WO 2018/077613 A1 [0002]
- DE 102007043944 A1 [0002]
- DE 102018102101 A1 [0019]
- DE 102012013946 A1 [0019]
