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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühl- und/oder Gefriergerät mit einem gekühlten Innenraum und mit einer den gekühlten Innenraum wenigstens bereichsweise umgebenden Wandung sowie mit einem Kältekreislauf.
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Mittels Kältekreisläufen aus dem Stand der Technik, beispielsweise mit dem Kältemittel R600a oder R290, werden bei Kühl- und/oder Gefriergeräten, insbesondere bei Gefriergeräten große Temperaturspannen zwischen dem Nutz- und Umgebungstemperaturniveau überwunden. Dies zeigt folgende Tabelle 1 für ein dynamisches Gerät mit dem Kältemittel R600a. Tabelle 1
| Umgebungstemperatur | Verdampfung | Kondensation | Temperaturspanne | Druckverhältnis |
| 16 °C | - 25 °C / 0,58 bar | 19 °C /3 bar | 44 K | 5,2 |
| 32 °C | 38 °C /5 bar | 63 K | 8,6 |
| 43 °C | 51 °C /7 bar | 76 K | 12,1 |
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Folgende Tabelle 2 zeigt die Zusammenhänge für ein statisches Gerät mit dem Kältemittel R600a. Tabelle 2
| Umgebungstemperatur | Verdampfung | Kondensation | Temperaturspanne | Druckverhältnis |
| 16 °C | - 25 °C /0,58 bar | 33 °C /4,4 bar | 58 K | 7,6 |
| 32 °C | 49 °C /6,7 bar | 74 K | 11,6 |
| 43 °C | 66 °C /10 bar | 91 K | 17,2 |
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Dies hat vor allem bei statischen Geräten, also bei freier Konvektion an den Wärmeübertragern Druckverhältnisse pc / po von ca. 17 zur Folge, was für den Verdichter einen Betriebspunkt nahe an seiner Betriebsgrenze darstellt. Die Aufrechterhaltung hoher Druckverhältnisse führt im Allgemeinen zu einem weniger effizienten Betriebszustand und damit einem hohen Energiebedarf der Geräte.
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Aus dem Stand der Technik bekannt sind ebenso Kältekreisläufe, die als Mixed-Refrigerant-Cycle (MRC) bzw. als Gemischkältekreislauf mit einem Kältemittelgemisch als zirkulierendem Arbeitsfluid ausgebildet sind.
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Die
US 1,986,959 A offenbart ein Gemisch aus R30 und R160 in einem Zweitemperaturkühlschrank.
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Der durch Lorenz und Meutzner in „LORENZ, A.; MEUTZNER, K.: On Application of Non-Azeotropic Two-Component Refrigerants in Domestic Refrigerators and Home Freezers. Proc. XVIth Int. Congr. Refrig., Moskau (1975)“ offenbarte Lorenz-Meutzner-Prozess nutzt eine spezielle Anlagenschaltung für Kühl- und/oder Gefriergeräte mit binären Kältemittelgemischen aus R22 und R11, die sich aber gegenüber den Schaltungsvarianten der Reinstoffsysteme energetisch nicht durchsetzen konnte.
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Eine besondere Eigenschaft von MRC bzw. Gemischkältekreisläufen ist der bei der Wärmeübertragung im Zweiphasengebiet, also bei Verdampfung und Kondensation auftretende Temperaturgleit. Dies wird in 2 gezeigt.
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Auf der Abszisse des in der 2 gezeigten Diagramms ist die Wärmeübertragerfläche und auf der Ordinate die Temperatur aufgetragen. Links der gestrichelten vertikalen Linie ist die Verdampfung und rechts der gestrichelten vertikalen Linie ist die Verflüssigung dargestellt.
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Im Gegenstrom strömen nun Luft und Kältemittel über die Wärmeübertragerfläche und übertragen untereinander Wärmeenergie.
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Während der Verflüssigung nimmt die Kältemitteltemperatur bei einem Kältemittel (KM) Gemisch im Vergleich zu einem KM-Reinstoff, bei dem die Kältemitteltemperatur über einen großen Bereich annähernd konstant bleibt, stetig ab und bei der Verdampfung im Vergleich zu einem KM-Reinstoff, bei dem die Kältemitteltemperatur über einen großen Bereich annähernd konstant bleibt, stetig zu. Die Temperatur der Luft nimmt bei der Verflüssigung stetig zu und bei der Verdampfung stetig ab. Die Temperaturveränderung über die Wärmeübertrageroberfläche wird durch die entsprechenden Kurven im Diagramm gezeigt.
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Durch die Mischung von Fluiden mit verschiedenen Normalsiedepunkten kann im Sinne eines „Molecular Engineering“ Entwicklungsprozesses eine große Vorkühlleistung vor dem Expansionsorgan und ein anwendungsspezifischer Siedepunktdrift mit sehr niedrigen Temperaturniveaus am Verdampfer konzipiert werden.
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Infolge des Temperaturanstiegs während der Verdampfung scheint der MRC entsprechend den Untersuchungen von Lorenz und Meutzner deshalb vor allem für Kühl- und Gefriergeräte, also Kombinationen vorteilhaft zu sein, da höhere Verdampfungstemperaturen im Kühlbereich einer Austrocknung von frischen und offen gelagerten Lebensmitteln vorbeugen.
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Der Temperaturgleit eröffnet zudem für sämtliche Wärmeübertragungsprozesse energetische Verbesserungspotentiale, die sich positiv auf die Gesamteffizienz des Kühlsystems auswirken.
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Weiterhin dürften höhere Verdampfungstemperaturen im Kühlbereich einer starken Vereisung der Verdampferoberfläche entgegenwirken, wodurch bei Geräten mit Verdampferabtaufunktionen weniger Abtauzyklen und/oder eine kleinere Dimensionierung einer Abtauheizung umgesetzt werden können.
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Aus dem Stand der Technik ist weiterhin bekannt, dass einstufige MRC-Systeme bereits bei geringen Druckverhältnissen pc / po große Temperaturspannen zwischen dem Nutz- und Umgebungstemperaturniveau aufbauen können. Innerhalb des Kältekreislaufs mit dem Reinstoff R600a wird, entsprechend Tabelle 2, bei einem Druckverhältnis von pc / po = 17 ein Temperaturhub von 91 K, was beispielsweise einer Temperaturspanne von -25 °C bis 66 °C entspricht, überwunden, wohingegen ein MRC-System für eine Tieftemperatur- Anwendung mit einem Druckverhältnis von lediglich pc / po = 9 bereits einen Temperaturhub von ca. 150 K, was beispielsweise einer Temperaturspanne von -120 °C bis 30 °C entspricht, überwindet.
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Derzeit kommen zur Wärmedämmung in Kühl- und/oder Gefriergeräten Dämmmaterialien aus Polyurethan (PUR), insbesondere PUR-Schäume oder Sandwich-Konstruktionen aus einem mittels PUR gedämmten Gehäuse mit einem oder mehreren zusätzlich aufgebrachten Vakuumisolationspaneelen zum Einsatz.
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Der Sandwichaufbau der oben zweitgenannten Wärmedämmvariante ist gegenüber dem nur mittels PUR gedämmten Gehäuse konstruktiv aufwendiger und teuer. Aufgrund der hervorragenden Wärmedämmeigenschaften kann bei hocheffizienten Geräten mit einem mittels PUR gedämmten Gehäuse auf den Einsatz zusätzlicher Vakuumisolationspaneele allerdings nicht verzichtet werden.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kühl- und/oder Gefriergerät aus dem Stand der Technik, insbesondere im Hinblick auf den Kältekreislauf und die Wärmedämmung, vorteilhaft weiterzubilden.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Demnach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Wandung wenigstens teilweise durch einen Vakuumdämmkörper und/oder durch einen Dämmkörper mit oder aus Polyurethan, insbesondere mit oder aus Polyurethanschaum oder nur durch einen Vakuumdämmkörper oder nur durch einen Dämmkörper mit oder aus Polyurethan, insbesondere mit oder aus Polyurethanschaum gebildet wird und dass der Kältekreislauf ein Kältemittelgemisch umfasst.
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In anderen Worten ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Wandung eine Wärmedämmung aufweist, wobei die Wärmedämmung durch einen Vakuumdämmkörper und/oder durch einen Dämmkörper mit oder aus Polyurethan, insbesondere mit oder aus Polyurethanschaum oder nur durch einen Vakuumdämmkörper oder nur durch einen Dämmkörper mit oder aus Polyurethan, insbesondere mit oder aus Polyurethanschaum gebildet wird.
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Ein Dämmkörper umfasst dabei vorzugsweise einen Dämmbereich und kann auch die den Dämmbereich umgebenden Stützstrukturen, wie Wände oder Folien umfassen.
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Der Dämmbereich in einem Dämmkörper mit oder aus Polyurethan, insbesondere mit oder aus Polyurethanschaum wird vorzugsweise durch Polyurethan, insbesondere durch Polyurethanschaum gebildet. Der Polyurethanschaum kann beispielsweise zwischen einem Innenbehälter und einem Außenbehälter eines Kühl- und/oder Gefriergeräts angeordnet werden. Damit bilden beispielsweise der Innen- und Außenbehälter und der Polyurethanschaum den Dämmkörper.
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Der Dämmbereich in einem Vakuumdämmkörper wird vorzugsweise durch einen evakuierten bzw. vakuumierten Bereich gebildet. Beispielsweise kann eine mit Stützmaterial gefüllte Folie evakuiert werden und damit einen Vakuumdämmkörper bilden.
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Vorzugsweise ist ein Gemischkältekreislauf bzw. ein Mixed-Refrigerant-Cycle (MRC)-System in ein wärmegedämmtes Gehäuse integriert.
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Dies hat vorteilhafterweise eine energieeffiziente Erzeugung bzw. Erreichung und Aufrechterhaltung eines Lagertemperaturniveaus in dem gekühlten Innenraum zwischen - 35 °C und 20 °C zur Folge.
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Das Gehäuse kann dabei vorzugsweise folgende Arten von Dämmungen aufweisen:
- - Gehäuse in Vakuumtechnik, das ganz oder teilweise aus evakuierten Elementen besteht;
- - Gehäuse, bei dem ein oder mehrere innen- und/oder außenliegende Vakuumelemente mit einem durch Polyurethan, insbesondere durch Polyurethanschaum gedämmten Gehäuse verbunden sind;
- - Gehäuse, das nur durch Polyurethan, insbesondere durch Polyurethanschaum gedämmt ist.
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Um den Energiebedarf eines Kühl- und/oder Gefriergerät zu reduzieren, gibt es zwei Ansätze:
- a) Verbesserung der Effizienz des Kälteaggregats zur Reduzierung der Leistungsaufnahme bei gleichbleibender Nutzkälteleistung oder
- b) Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit der Dämmmaterialien des Gehäuses zur Reduzierung des aus der Umgebung in den Lagerbereich einfallenden Wärmestroms.
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Es werden durch einen Gemischkältekreislauf bzw. ein MRC für die Kältebereitstellung gemäß (a) und der Vakuumtechnik im Gehäuseaufbau gemäß (b) vorzugsweise beide energetische Optimierungsmöglichkeiten verknüpft.
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Die Vakuumtechnik ermöglicht es, vorzugsweise aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit insbesondere gegenüber Gehäusen, die nur mittels Polyurethan wärmegedämmt sind, bei gleichen Dämmstärken einen geringeren Wärmeeintrag durch das Gehäuse oder bei vergleichbarem Wärmeeintrag infolge einer dünneren erforderlichen Dämmschichtdicke eine Vergrößerung des Nutzvolumens zu realisieren.
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Vorzugsweist ist das Kühl- und/oder Gefriergerät mit einem MRC-Kälteaggregat ausgestattet.
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Denkbar ist, dass der gekühlte Innenraum durch ein Verschlusselement verschlossen werden kann und die Wandung Teil des Verschlusselements ist.
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Das Verschlusselement kann eine Tür, ein Deckel oder eine Klappe oder ein sonstiges Element, mit dem der gekühlte Innenraum verschlossen werden kann, sein.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Wandung Teil eines Gehäuses oder Korpusses des Kühl- und/oder Gefriergeräts bildet. Das Gehäuse kann ein Vollvakuumgehäuse sein.
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Denkbar ist, dass an der Wandung ein innen- und/oder außenliegendes Vakuumisolationspaneel angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Kältekreislauf dazu ausgebildet ist den gekühlten Innenraum zu kühlen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Kältekreislauf einen oder genau einen Verflüssiger, Verdichter, Vorkühler und Verdampfer sowie ein oder genau ein Expansionsorgan umfasst.
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Bei dem Vorkühler kann es sich beispielweise um einen Mikrostruktur-, Platten-, Rohr-in-Rohr- oder Multi-Rohr-in-Rohr-Wärmeübertrager handeln.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Verdichter dazu ausgebildet ist, mit einem Druckverhältnis von kleiner oder gleich 20, vorzugsweise von kleiner oder gleich 15, weiter bevorzugt von kleiner oder gleich 10 und besonders bevorzugt von kleiner oder gleich 9 zu verdichten.
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Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass die benötigte Temperaturspanne beim MRC-System und bei allen Umgebungstemperaturen mit Druckverhältnissen kleiner als 15 zu bewerkstelligen ist, was für den Verdichter folglich einen geringeren Energiebedarf zur Folge hat.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Kältekreislauf ein einstufiger Kältekreislauf ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Kältemittelgemisch zwei oder mehr als zwei natürliche Kohlenwasserstoffe aufweist oder daraus besteht. Denkbar ist es, dass das Kältemittelgemisch ein binäres oder ternäres oder quaternäres (oder > als quaternär) Kältemittelgemisch aus natürlichen Kohlenwasserstoffen aufweist oder ist.
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Die erfolgreiche Konzeptionierung der Zusammensetzung des Kältegemisches in einem MRC ist ein wichtiger Faktor, um infolge der unendlich großen Anzahl an Mischungsvarianten gerade jene Mischung zu identifizieren, welche als Arbeitsfluid im MRC-System gemeinsam mit einem auf das Kältemittelgemisch abgestimmten Vorkühler zur bestmöglichen Energieeffizienz des Kältekreislaufs führt.
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Vorzugsweise eignet sich für einen Lagertemperaturbereich zwischen -35 °C und 20 °C ein binäres oder ternäres oder quaternäres Kältemittelgemisch aus natürlichen Kohlenwasserstoffen.
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Denkbar ist, dass eine Temperatur in dem gekühlten Innenraum zwischen -35 °C und 40 °C, insbesondere zwischen -35 °C und 20 °C beträgt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Kühl- und/oder Gefriergerät ein statisches oder dynamisches Gerät ist. Vorzugsweise soll das MRC-System hocheffizient sein, weshalb der Einsatz eines dynamisch belüfteten Wärmeübertragers vorzugsweise in Frage kommt, d.h. ein dynamisches Gerät vorteilhaft ist. Bei einem statischen Gerät ist der Wärmeübertrager nicht dynamsich belüftetet.
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An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „ein“ und „eine“ nicht zwingend auf genau eines der Elemente verweisen, wenngleich dies eine mögliche Ausführung darstellt, sondern auch eine Mehrzahl der Elemente bezeichnen können. Ebenso schließt die Verwendung des Plurals auch das Vorhandensein des fraglichen Elementes in der Einzahl ein und umgekehrt umfasst der Singular auch mehrere der fraglichen Elemente. Weiterhin können alle hierin beschriebenen Merkmale der Erfindung beliebig miteinander kombiniert oder voneinander isoliert beansprucht werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Effekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren, in welchen gleiche oder ähnliche Bauteile durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Hierbei zeigen:
- 1: ein Schema einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühl- und/oder Gefriergeräts.
- 2: ein Diagramm der Temperaturverläufe beim Verflüssigen und Verdampfen in einem Reinstoffsystem mit Kältemittel (KM)-Reinstoff und einem MRC-System mit KM-Gemisch.
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In 1 ist ein gekühlter Innenraum 10 eines Kühl- und/oder Gefriergeräts, der von einem als Vollvakuumdämmkörper 11 ausgestalteten Gehäuse wenigstens teilweise umgeben ist zu sehen.
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In oder an dem gekühlten Innenraum 10 befindet sich ein Verdampfer 21 eines Kältekreislaufes 20 der in Form eines MRC mit einem Kältemittelgemisch ausgebildet ist.
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Der Kältekreislauf 20 umfasst ferner einen Vorkühler 22, einen Verdichter 23, einen Verflüssiger 24 und ein Expansionsorgan 25, wobei diese Elemente durch Leitungen, die dazu ausgebildet sind, ein Kältemittelgemisch zu leiten, derart verbunden sind, so dass ein Kältekreislauf 20 gebildet wird.
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Aus dem Fließschema der Komponentenanordnung eines MRC-Systems wie in 1 wird deutlich, dass sich der Komponentenaufbau des Kältekreislaufs 20 an bekannten Komponentenaufbauten von Kühl- und/oder Gefriergeräten aus dem Stand der Technik anlehnt.
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Folgende Überlegungen in Bezug auf den Aufbau des Kältekreislaufs 20 sind vorzugsweise vorzunehmen:
- • Durchführung von konstruktiven Anpassungen des Vorkühlers, da dieser gegenüber dem klassischen Kältekreislauf mit Kapillar-Saugrohr-Wärmeübertrager eine deutlich größere Vorkühlung des Kältemittels vor dem Expansionsvorgang bewirken soll.
- • Zur energieeffizienzsteigernden Realisierung kleiner Temperaturdifferenzen zwischen der Luft und dem Kältemittelgemisch sollten ausreichend große Luftvolumenströme und/oder Wärmeübertrageroberflächen am Verdampfer oder Verflüssiger vorgesehen werden.
- • Überprüfung der Druckfestigkeit der bislang verwendeten R600a-Kreislaufkomponenten, da das MRC-System gegenüber dem R600a-Kältekreislauf bei höheren Systemdrücken arbeitet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 1986959 A [0006]
- DE 102013005585 A1 [0018]
- DE 102013002313 A1 [0018]
- DE 102015008131 A1 [0018]
- DE 102015008157 A1 [0018]
