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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kopfteils eines eine Mehrzahl von flachen Filterelementen aufweisenden Filtermoduls nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
JP 5403156 A beschreibt eine Vorrichtung, mit der ein Kopfteil eines Filtermoduls gegossen werden kann. Das Filtermodul weist dabei eine Mehrzahl von flachen Filterelementen (Flachmembranen) auf, die parallel zueinander angeordnet sind und mit einer Stirnseite in das Kopfteil münden. Um die Filterelemente während des Gießvorgangs in einem bestimmten Abstand zueinander festzulegen, ist eine Abstandshalteeinrichtung vorgesehen. Diese umfasst plattenartige Abstandshalter, die zwischen den einzelnen Flachmembranen verklemmt werden. Damit die Abstandshalter während des Gießvorgangs nicht herausfallen, werden die Flachmembranen durch eine entsprechende Einrichtung gegeneinander gedrückt. Nach dem Ende des Gießvorgangs werden die Abstandshalter wieder entfernt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die besonders effizient und schonend eingesetzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich darüber hinaus in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung. Die dort gezeigten bzw. beschriebenen Merkmale können sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein, ohne dass hierauf nochmals gesondert hingewiesen wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass die einzelnen flachen Filterelemente (Flachmembranen) auf sehr einfache und schnelle Art und Weise parallel zueinander festgelegt werden können, und diese Festlegung auch wieder einfach aufgehoben werden kann, beispielsweise nach dem Ende des Gießvorgangs. Auch erfolgt diese Festlegung sehr schonend, da auf eine starke Kraftausübung auf die Filterelemente verzichtet werden kann. Anstelle einer Mehrzahl von plattenartigen Abstandshaltern ist nur noch mindestens ein einstückiges Halteteil vorgesehen, welches im Bereich der gut zugänglichen Längsränder der Filterelemente angeordnet wird und in dessen Ausnehmungen die Längsränder der Filterelemente aufgenommen werden können. Durch die bei dem erfindungsgemäß vorgesehenen Halteteil vorhandenen Vorsprünge wird ein definierter Abstand zwischen den einzelnen Filterelementen gewährleistet. Die Festlegung der Filterelemente kann durch einen einzigen Arbeitsschritt beendet werden, indem das mindestens eine Halteteil einfach entfernt wird.
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Das Halteteil ist vorteilhafterweise rechenartig ausgebildet, und es erstreckt sich vorzugsweise über etwas mehr als die Breite des Filtermoduls. Die „Zinken“ dieses rechenartig ausgebildeten Halteteils bilden somit die Vorsprünge, die die benachbarten Filterelemente zuverlässig auf Abstand voneinander halten. Indem sich das Halteteil über etwas mehr als die Breite des Filtermoduls erstreckt, kann es auf einfache Art und Weise, beispielsweise mittels Schrauben, an einem Rahmen der Vorrichtung befestigt werden.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Abstandshalteeinrichtung insgesamt mindestens vier identische Halteteile, wobei jeweils zwei Halteteile einander gegenüber liegend angeordnet sind. Hierdurch wird eine sichere und feste Halterung der Filterelemente während der Herstellung des Kopfteils gewährleistet. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Ausnehmungen so ausgebildet sind und/oder wenn ein solches Material für das Halteteil verwendet wird, dass die Filterelemente durch das Halteteil nicht nur in zur Ebene der Filterelemente orthogonaler Richtung, sondern auch in Längsrichtung der Filterelemente sicher gehalten sind. Dies ist beispielsweise durch die Realisierung eines Presssitzes der Längsränder der Filterelemente in den entsprechenden Ausnehmungen des Halteteils und/oder die Auswahl eines Materials des Halteteils mit einem hohen Haftreibungskoeffizienten möglich.
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Vorteilhaft ist es ferner, wenn die Vorsprünge mindestens bereichsweise konisch sind. Mit einer solchen Form wird ein ausreichendes Spiel für beispielsweise fertigungsbedingte unterschiedliche Abmessungen der Flachmembranen zugelassen.
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Bevorzugt ist das Halteteil aus einem Material hergestellt, welches Metall und/oder Kunststoff und/oder Keramik umfasst. Beispielsweise sind auch Metalllegierungen sowie Verbundwerkstoffe zur Realisierung des Halteteils denkbar.
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Die die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehene Gießform kann ein kissenartiges Dichtelement umfassen, an dem die Stirnseiten eines Endes der Filterelemente dichtend anliegen können. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass die flachen Filterelemente in ihrer Längsrichtung von einer Vielzahl von Kanälen durchzogen sind. Durch diese soll die gefilterte Flüssigkeit in das Kopfteil gelangen können. Um zu verhindern, dass während des Gießvorgangs die stirnseitigen Öffnungen der Kanäle durch das Vergussmaterial blockiert werden, bzw. Vergussmaterial in die stirnseitigen Enden dieser Kanäle eindringt, ist das kissenartige Dichtelement vorgesehen, gegen welches die Filterelemente mit ihren Stirnseiten während des Gießvorgangs gedrückt werden. Hierdurch werden die stirnseitigen Öffnungen der Kanäle gegenüber dem Gießmaterial abgedichtet. Nach dem Ende des Gießvorgangs und dem Aushärten des Gussmaterials wird das kissenartige Dichtelement entfernt, so dass die Öffnungen der Kanäle wieder frei liegen.
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Dabei sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass das Vorsehen dieses kissenartigen Dichtelements eine eigenständige und von dem oben beschriebenen Halteteil unabhängige Erfindung darstellt, die somit auch in Alleinstellung ohne die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 beanspruchbar ist. Das gleiche gilt für die nachfolgenden und auf dem kissenartigen Dichtelement aufbauenden Weiterbildungen.
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In Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass das Dichtelement auf seiner den Stirnseiten der Filterelemente zugewandten Seite zur Ausbildung mindestens eines Stabilisierungsstegs am Kopfteil mindestens eine schlitzartige Ausnehmung aufweist. Damit wird das kissenartige Dichtelement selbst zu einem Teil der Gießform und gestattet es, das Kopfteil insbesondere im Bereich der stirnseitigen Enden der Filterelemente durch die genannten Stabilisierungsstege zu versteifen.
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Ferner kann das Dichtelement auf seiner von den Stirnseiten der Filterelemente abgewandten Seite mindestens eine Ausnehmung aufweisen. Hierdurch wird das Entnehmen des Dichtelements nach dem Ende des Gießvorgangs erleichtert.
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Um dennoch während des Gießvorgangs eine ausreichende Stabilität des Dichtelements zu gewährleisten, kann vorgesehen sein, dass in die Ausnehmung ein Stabilisierungsteil einsetzbar ist. Dieses Stabilisierungsteil weist vorzugsweise eine höhere Steifigkeit als das Dichtelement auf. Beispielsweise ist es aus einem relativ steifen Kunststoff hergestellt.
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In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass das Stabilisierungsteil eine Durchgangsöffnung aufweist. Hierdurch wird das Entfernen des Stabilisierungsteils erleichtert, welches erforderlich ist, um insgesamt die Steifigkeit des Dichtelements zu reduzieren und dieses leichter aus der Gießform entnehmen zu können. Beispielsweise kann mit einer Druckluftpistole Luft in die Durchgangsöffnung eingeblasen werden, wodurch das Stabilisierungsteil quasi wie von selbst aus der Ausnehmung herausgeblasen wird.
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Das kissenartige Dichtelement ist vorzugsweise aus einem elastischen Material hergestellt, beispielsweise einem elastischen Polymer, insbesondere Silikon, Gummi, Polyamid, Polyethylen, oder Polypropylen.
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine Längsschnittansicht von der Seite eines Filtermoduls mit einer Mehrzahl von flachen Filterelementen und einer ersten Ausführungsform eines Kopfteils;
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2 eine Ansicht ähnlich zu 1 mit einer zweiten Ausführungsform eines Kopfteils;
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3 eine Querschnittansicht von vorne durch eine Vorrichtung zur Herstellung der Kopfteile der 1 und 2;
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4A bis 4I schematisierte Schnittdarstellungen zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung des Kopfteils von 1; und
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5A bis 5C Darstellungen ähnlich zu den 4A bis 4I eines Verfahrens zur Herstellung des Kopfteils der 2.
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Ein Filtermodul trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Er umfasst eine Vielzahl von flachen Filterelementen, von denen in der in 1 dargestellten Schnittansicht nur eines mit dem Bezugszeichen 12 sichtbar ist. Sie münden mit ihrer in 1 linken Stirnseite 14 in ein Kopfteil 16. Das Kopfteil 16 ist insgesamt einstückig und weist in seinem Inneren einen Permeatsammelraum 18 auf, in den die Filterelemente 12 mit in ihnen vorhandenen und in ihrer Längsrichtung verlaufenden Kanälen 20 münden. An dem Kopfteil 16 ist ein Rohrelement 22 vorhanden, mit dem gereinigte Flüssigkeit aus dem Permeatsammelraum 18 abgeleitet werden kann.
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Die Filterelemente 12 sind jeweils als flaches, längliches, in der Blickrichtung von 1 rechteckiges scheibenartiges Element gebildet, welches in 1 in einer Blickrichtung von oben nur eine vergleichsweise geringe Dicke aufweist, siehe auch 3. Sie sind aus einem offenporigen Keramikmaterial, beispielsweise Aluminiumoxid hergestellt. Vorliegend ist die Innenseite der Kanäle 20 mit einer dünnen keramischen Membran beschichtet, welche die eigentliche Filtermembran darstellt. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform ist stattdessen die Außenseite der Filterelemente mit einer solchen dünnen keramischem Membran beschichtet.
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Im Betrieb des Filtermoduls 10 werden die Filterelemente 12 von der zu reinigenden Flüssigkeit umspült. Verschmutzungen setzen sich dann an der Außenseite der Filterelemente 12 bzw. stromaufwärts von der eigentlichen Filtermembran ab, wohingegen die gereinigte Flüssigkeit (Permeat) durch die Kanäle 20 in den Permeatsammelraum 18 abgeleitet und von dort über das Rohrelement 22 zur Nutzung weitergeführt wird. Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform sind anstelle des Rohrelements oder zusätzlich zu diesem in einer Oberseite und einer Unterseite und/oder einer linken und einer rechten Seite des Kopfteils Öffnungen vorhanden. In diese können ebenfalls Rohrelemente eingefügt werden, oder durch diese Öffnungen können dann, wenn zwei Kopfteile von Filterelementen sich berührend übereinander oder nebeneinander angeordnet werden, die Permeatsammelräume der Filterelemente miteinander kommunizieren. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn an den Öffnungen entsprechende Dichteinrichtungen vorhanden sind.
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Die in 2 gezeigte Ausführungsform eines Filtermoduls 10 ist ganz ähnlich aufgebaut. Insoweit tragen solche Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu Elementen und Bereichen der 1 aufweisen, die gleichen Bezugszeichen. Sie werden nicht nochmals erläutert.
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Die in 2 gezeigte Ausführungsform eines Filtermoduls 10 unterscheidet sich von jener der 1 lediglich durch das Kopfteil 16: dieses ist nicht einstückig, sondern zweiteilig aufgebaut mit einem Flanschabschnitt 16A und einem Gehäuseabschnitt 16B. Diese sind beispielsweise mittels Schrauben 24 miteinander verbunden und durch eine umlaufende Dichtung 26 gegeneinander abgedichtet.
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Die Filterelemente 12 müssen mit dem Kopfteil 16 flüssigkeitsdicht verbunden sein um zu verhindern, dass verunreinigte Flüssigkeit von außen in den Permeatsammelraum 18 gelangt. Hierzu sind die Filterelemente 12 in das Kopfteil 16 als Formguss eingegossen. Entsprechende Verfahren werden weiter unten noch im Detail erläutert werden. Die Vergussbereiche sind in den 1 und 2 durch Pfeile mit dem Bezugszeichen 28 gekennzeichnet. Zur Herstellung der Vergussbereiche 28 wird vorzugsweise das gleiche Gussmaterial verwendet, aus dem auch das Kopfteil 16 hergestellt ist.
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In den 1 und 2 sind nur die linken Endbereiche der Filtermodule 10 dargestellt. Die rechten Endbereiche können identisch ausgeführt sein, also ebenfalls ein Kopfteil 16 mit einem Permeatsammelraum 18 aufweisen. Alternativ hierzu können die nicht gezeigten rechten Endbereiche der Filterelemente 12 aber auch so ausgebildet sein, dass dort die Kanäle 20 verschlossen sind, beispielsweise indem die rechten Stirnseiten der Filterelemente 12 in eine entsprechende Vergussmasse eingetaucht wurden, auf die Anordnung eines entsprechenden Kopfteils dort also verzichtet wird.
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Zur Herstellung der Vergussbereiche 28 müssen die Filterelemente 12 parallel zueinander in einem vorgegebenen Abstand voneinander festgelegt werden. Hierzu wird eine Gießform 30 verwendet, deren Verwendung im Detail noch weiter unten erläutert werden wird, und von der in 3 lediglich eine Seitenwand 32 sowie eine Abstandshalteeinrichtung 34 sichtbar sind.
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Die Abstandshalteeinrichtung 34 umfasst vorliegend insgesamt 4 identische Halteteile 36 (siehe auch 1 und 2), wobei jeweils zwei Halteteile 36 einander gegenüber liegend angeordnet sind, so dass die Filterelemente 12 zwischen diesen angeordnet sind. Die Halteteile 36 sind im Bereich von benachbarten Längsrändern 38 der Filterelemente 12 angeordnet. Jedes Halteteil 36 ist länglich und rechenartig ausgebildet und erstreckt sich über etwas mehr als die Breite des Filtermoduls 10. Es umfasst Ausnehmungen 40 und zwischen diesen angeordnete zinkenartige Vorsprünge 42.
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Wie aus 3 ersichtlich ist, dient jeweils eine Ausnehmung 40 zur Aufnahme eines Längsrands eines Filterelements 12, wohingegen die zwischen den Ausnehmungen 40 vorhandenen Vorsprünge 42 zwischen den Filterelementen 12 angeordnet sind und so die Filterelemente 12 in einem definierten Abstand voneinander festlegen. Man erkennt aus 3 auch, dass die Vorsprünge 42 sich in Richtung zu ihrem abragenden Ende hin verjüngen, also konisch ausgebildet sind. Dies ist jedoch nicht zwingend. Die Vorsprünge können auch gerade sein, da sich dann ein geringeres seitliches Spiel ergibt. Ferner erkennt man, dass zwischen dem in 3 oberen Halteteil 36 und den oberen Längsrändern 38 der Filterelemente 12 ein Abstand vorhanden ist. Dieses vertikale Spiel kann ebenso am gegenüber liegenden Halteteil oder an beiden Halteilen vorhanden sein. Es ermöglicht die sichere Aufnahme auch unterschiedlich hoher Filterelemente 12, wie sie beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen entstehen können. Die Halteteile 36 sind vorliegend aus einem Kunststoffmaterial hergestellt, sie könnten aber auch aus Metall oder aus Keramik oder aus einem Mischwerkstoff hergestellt sein. Die Halteteile 36 sind mit der Seitenwand 32 verschraubt (Bezugszeichen 44).
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Es versteht sich, dass in den Figuren nicht sämtliche Elemente und Bereiche mit den entsprechenden Bezugszeichen versehen sind, um die Figuren nicht zu überladen. Beispielsweise sind in 3 nicht sämtliche Ausnehmungen und Vorsprünge und auch nicht sämtliche Längsränder mit den entsprechenden Bezugszeichen versehen.
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Nun wird unter Bezugnahme auf die 4A bis 4I ein Verfahren zur Herstellung des Kopfteils 16 aus 1 erläutert:
Man erkennt in 4A die Seitenwand 32 der Gießform 30 sowie die Filterelemente 12. Nur in 4A ist auch ein Halteteil 36 dargestellt. Man erkennt, dass sich von der Seitenwand 32 nach innen, jedoch unterhalb der Stirnseite 14 der Filterelemente 12, ein zapfenartiger Vorsprung 46 erstreckt. Nach unten hin wird die Gießform 30 durch eine Bodenplatte 48 abgeschlossen. Diese ist lösbar mit der Seitenwand 32 verbunden.
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Zwischen der Bodenplatte 48 und den in 4A unteren Stirnseiten 14 der Filterelemente 12 ist ein kissenartiges Dichtelement 50 verklemmt. Es ist aus einem elastischen Material hergestellt, vorliegend aus Silikon. In seiner Oberseite weist es schlitzartige Ausnehmungen 52 auf, die aus Gründen der Übersichtlichkeit vereinfacht dargestellt sind. Auf seiner Unterseite weist es in etwa rechteckige Ausnehmungen 54 (4D) auf, in die ein Stabilisierungsteil 56 eingesetzt ist. Dieses weist eine Durchgangsöffnung 58 auf.
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Wie aus 4B ersichtlich ist, wird in die Gießform 30 nun Gussmaterial 60 eingegossen, und zwar in einer solchen Menge, dass die Filterelemente 12 mit ihren zur unteren Stirnseite 14 benachbarten Bereichen von dem Gussmaterial 60 umgeben sind. Wie aus 4C ersichtlich ist, wird nach dem Aushärten des Gussmaterials 60 die Bodenplatte 48 entfernt, und es wird auch die Seitenwand 32 entfernt. Ebenfalls können nun die Halteteile 36 der Abstandshalteeinrichtung 34 entfernt werden, da durch die hergestellten Vergussbereiche 28 die Filterelemente 12 in der gewünschten Relativposition zueinander festgelegt sind. Danach werden, entsprechend 4D, die Stabilisierungsteile 56 aus den Ausnehmungen 54 entfernt. Hierzu wird in die Durchgangsöffnungen 58 mit einer Druckluftpistole Druckluft eingeblasen, wodurch die Stabilisierungsteile 56 quasi von selbst aus den Ausnehmungen 54 herauslösen.
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Aufgrund der Entfernung der Stabilisierungsteile 56 hat das kissenartige Dichtelement 50 nunmehr eine sehr geringe Steifigkeit und kann problemlos nach unten abgezogen werden, wie aus 4E ersichtlich ist. Durch diesen ersten Gießvorgang wurden somit die Vergussbereiche 28 des Kopfteils 16 sowie Stabilisierungsstege 62 und Seitenwände 64 des Kopfteils 16 hergestellt. Die Stabilisierungsstege 62 sind dabei etwas kürzer als die Seitenwände 64. Sie weisen ferner an ihrem in 4E unteren Rand Öffnungen 62A auf, die beispielsweise halbkreis- oder bogenförmig sein können. Man erkennt aus 4E auch, dass durch die Vorsprünge 46 in der Seitenwand 64 des Kopfteils 16 Öffnungen 66 geschaffen wurden, deren Nutzen weiter unten erläutert werden wird.
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Wie aus 4F ersichtlich ist, wird das soweit hergestellte Kopfteil 16 nun auf ein Kissen 68 beispielsweise aus Silikon gestellt. Man erkennt, dass zwischen dem Kissen 68 und den unteren Enden der Stabilisierungsstege 62 ein geringer Abstand vorhanden ist. Dann wird über die Öffnungen 66 eine dünne Schicht des Gussmaterials 60 eingeführt, siehe 4G. Nach deren Aushärten wird das Kissen 68 abgenommen (4H). Durch das Gussmaterial 60 ist nun eine Rückwand 70 des Kopfteils 16 entstanden, die mit den unteren Rändern der Stabilisierungsstege 62 verbunden ist. Zwischen den Stabilisierungsstegen 62 sind Kammern 18A, 18B, ..., gebildet, die durch die Öffnungen 62A miteinander kommunizieren können. Das soweit hergestellte Filtermodul 10 wird nun um 180° umgedreht, und auf die noch dünne Rückwand 70 wird nochmals Gussmaterial 60 aufgebracht, so dass hierdurch die Rückwand 70 die für eine ausreichende Stabilität notwendige Dicke erhält.
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Auf diese Weise wird ein einstückiges Kopfteil 16 erhalten, welches durch die Stabilisierungsstege 62 eine hohe Stabilität aufweist, flüssigkeitsdicht mit den Filterelementen 12 verbunden ist, im Inneren einen Permeatsammelraum 18 aufweist, wobei durch den Gießprozess die Mündungen der Kanäle 20 nicht verstopft werden, und wobei durch die Abstandshalteeinrichtung 34 die Filterelemente 12 sicher in einem gewünschten Abstand voneinander festgelegt wurden.
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Oben wurde gezeigt, wie durch den zapfenartigen Vorsprung 46 in 4A die Öffnung 66 zum Einfüllen des Gussmaterials 60 in 4G geschaffen wurde. In ähnlicher Weise könnten mit zapfenartigen Vorsprüngen in den außerhalb der gezeigten Schnittebenen liegenden Bereichen der Gießform 30 weitere Öffnungen geschaffen werden, beispielsweise in einer Oberseite und einer Unterseite des Kopfteils 16, wodurch die Permeatsammelräume 18 aufeinanderliegender Kopfteile 16 bzw. Filterelemente 12 direkt miteinander kommunizieren könnten.
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Ein Verfahren zur Herstellung des Kopfstücks 16 der 2 wird nun unter Bezugnahme auf die 5A bis 5C erläutert:
Hier weist das Kopfteil 16 einen Flanschabschnitt 16A und einen Gehäuseabschnitt 16B auf, die in separaten Verfahren vorgefertigt wurden. Die durch in den 5A bis 5C nicht dargestellte Halteteile 36 zueinander festgelegten Filterelemente 12 werden mit ihrer Stirnseite 14 nach unten auf ein Kissen 50 aus Silikon gestellt, welches in einer kastenartigen Gießform 30 angeordnet ist (5A). Der Flanschbereich 16A des Kopfteils 16 ist auf die kastenartigen Gießform 30 aufgelegt. Wie aus 5A ersichtlich ist, kann die seitliche und zu den Filterelementen 12 hin weisende Wand des Flanschbereichs 16A eine Riffelung oder Zacken aufweisen und/oder außerdem derart konisch sein, dass die Weite der Aufnahmeöffnung des Flanschbereichs 16A auf Höhe der Längsränder 38 größer ist als von diesen entfernt.
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Nun wird, wie aus 5B ersichtlich ist, Gussmaterial 60 in die Bereiche zwischen den Filterelementen 12 und den Flanschbereich 16A des Kopfteils 60 eingefüllt. Sobald dieses ausgehärtet ist, wird die kastenartigen Gießform 30 mit dem Kissen 50 entfernt. Durch die oben erwähnte Riffelung und die Konizität ergibt sich eine besonders feste Verbindung des Gussmaterials 60 mit dem Flanschbereich 16A. 5C zeigt den auf diese Weise fertig hergestellten und mit den Filterelementen 12 flüssigkeitsdicht vergossenen Flanschabschnitt 16A des Kopfteils 16. In 5C wird jedoch auf die Darstellung der oben erwähnten und ohnehin lediglich optionalen Riffelung und Konizität verzichtet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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