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Die Erfindung betrifft ein Durchflusselement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Elektrochemische amperometrische Sensoren für die Messung des Gehaltes an Chlor, Chlordioxid, Ozon, Peressigsäure, Wasserstoffperoxid, Sauerstoff, Brom, Chlorit und Ammoniak in Prozesswasser und anderen Flüssigkeiten sind bekannt. Bei diesen Flüssigkeiten kann es sich z.B. um Trinkwasser, Schwimmbadewasser, Kühlwasser, Wasser für Anlagen zur Umkehrosmose, Prozesswasser, Brauchwasser, Meerwasser oder Dialysewasser handeln.
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Die Sensoren für die genannten Stoffe können als Zwei- oder Drei-Elektrodenausführungen mit einer Arbeitselektrode aufgebaut sein. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal der Sensoren besteht für die Arbeitselektrode darin, die zu untersuchenden Flüssigkeiten können in direkten Kontakt mit der Arbeitselektrode treten oder die Arbeitselektrode wird durch eine Membran abgedeckt, die der Arbeitselektrode vorgelagert ist. Die zu untersuchenden Stoffe diffundieren durch die Membran und werden von dem Sensor messtechnisch ausgewertet.
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Unabhängig davon, ob eine freie oder eine membranbedeckte Arbeitselektrode eingesetzt werden, kommt es früher oder später zu Betriebsstörungen des Sensors. Ursache dieser Störungen, die die Messungen nachteilig beeinflussen, sind Ablagerungen, Verschleimungen oder Biofilme auf der Arbeitselektrode oder der Membran der elektrochemischen Sensoren.
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Es wurden bereits zahlreiche Lösungen vorgeschlagen, wie die Arbeitselektrode oder die Membran von Biofilm und anderen Ablagerungen befreit werden können. Zum Beispiel wurden Lösungen mit Ultraschall, mit UV-Licht, mit elektrischen Mitteln, mit mechanische Mittel, mit Ozon oder mit Elektrolyse-Zellen vorgeschlagen.
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Aus der
EP 0 212 038 ist eine Reinigungsvorrichtung für elektrochemische Sensoren bekannt, bei der eine ringförmige Hülse mit einem Elektrolyten auf den Kopf des Sensors zu Reinigungszwecken zeitweise aufgeschoben wird. Zusätzlich weist die Hülse eine Regenerier-Elektrode auf, die mit Stromimpulsen angesteuert wird.
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Der
DE 197 48 725 A1 ist eine Distanzscheibe zu entnehmen, die einen zu reinigenden Sensor trägt, der in einer Kammer angeordnet ist. Weiter ist in der Kammer ein Piezoschwinger mit Abstand zu dem Sensor angeordnet. Die Kammer weist Durchbrüche (
3) auf, in der ein Fluid strömt, das mit Ultraschall in Schwingungen versetzt wird, die die Oberfläche des Sensors reinigen.
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Aus der
DE 10 2010 030 489 A1 ist ein Fluidsystem mit einer Fludikeinheit bekannt, die mehrere Zuleitungen und Kanäle aufweist, über die verschiedene Stoffe miteinander mischbar sind.
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Aus der
WO 2010/139398 A1 ist ein System zur Fließinjektion bekannt, das in Form von Distanzscheiben ein Dosiermodul mit einem Dosierkanal und ein Mischmodul mit einem Mischkanal aufweist.
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Aus der
WO 2005/045422 A1 ist ein elektrochemischer Sensor bekannt, der mit einer Membran ausgestattet ist, die über Strömungskanäle mit Flüssigkeiten anströmbar ist.
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Aus der
DE 10 2009 054 279 A1 ist ein System von Mess-Zellen bekannt, die nebeneinander angeordnet Chlordioxid und Chlorit in einer Flüssigkeit gleichzeitig messen können.
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Aus der
DE 10 2012 112 457 , von der die Anmeldung ausgeht, ist ein Durchfluss-Messgerät bekannt, bei dem eine Hülse in einem Durchflusskanal und Strömungskanal eingesetzt ist, die Bohrungen aufweist. Über die Bohrungen wird die zu vermessende Flüssigkeit einem Sensor zu Messzwecken zugeführt.
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Zu Reinigungs- und Messzwecken ist es mitunter erforderlich, mehrere elektrochemische Sensoren in geeigneter Weise zu positionieren und einen geeigneten Strömungskanal auszubilden. Bisher konnte dies für weitestgehend baugleiche elektrochemische Sensoren nicht in geeigneter Weise durchgeführt werden.
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Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein Durchflusselement zu schaffen, das besonders bei elektrochemischen Sensoren Anwendung finden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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In vorteilhafter Weise kann das Durchflusselement bei elektrochemischen Sensoren Anwendung finden, die eine Stabform aufweisen. Vorzugsweise ist das Durchflusselement als runde Scheibe ausgebildet, die in eine Durchflussarmatur zusammen mit Sensoren einsetzbar ist.
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In vorteilhafter Weise werden alle Sensoren, die sich gegenüber stehen, mit der Erfindung auf einem exakten Abstand gehalten, der für die Messzwecke geeignet ist.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Vorrichtung mit einer bekannten elektrochemischen Mess-Zelle CS und einer Elektrolyse-Zelle EZ, die in einer Durchflussarmatur eingesetzt sind;
- 2 ein Durchflusselement in Form einer Distanzscheibe die in einer Durchflussarmatur zwischen der Chlor-Messzelle und der Elektrolyse-Zelle ausgebildet ist;
- 3 eine Draufsicht entlang der Schnittlinie CC in 2;
- 4 eine perspektivische Ansicht der Distanzscheibe aus 3;
- 5 eine Seitenansicht der Distanzscheibe entlang der Schnittlinie AA in 4; und
- 6 eine Seitenansicht der Distanzscheibe entlang der Schnittlinie BB in 5.
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1 zeigt eine längliche Durchflussarmatur 1, die sich in Richtung der Achse X erstreckt. Quer zu der Achse X erstreckt sich ein Strömungskanal S längs der Achse Y. Eine längliche elektrochemische Mess-Zelle (nachfolgend mit CS bezeichnet) ist in eine Bohrung 5 der Durchflussarmatur 1 eingesteckt, die sich in Richtung der Achse X erstreckt. Die 1 dient dazu, zu verdeutlichen, wie die Strömungsverhältnisse in einer Durchflussarmatur 1 zu verbessern sind.
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Die Chlor-Messzelle CS ragt mit ihrer Stirnseite und der Membran 7 in den quer verlaufenden Strömungskanal S. Die Durchflussarmatur 1 weist zusätzlich eine Bohrung 6 auf, die sich gleichfalls in Richtung der Achse X erstreckt. In der Bohrung 6 ist eine Elektrolyse-Zelle EZ eingesteckt, die an ihrer Stirnseite eine Membran 8 aufweist. Die Chlor-Messzelle CS und die Elektrolyse-Messzelle EZ liegen auf der gedachten Achse X. Die Membran 8 der Elektrolyse-Zelle EZ ragt gleichfalls in den Strömungskanal S und steht der Membran 7 in einem Abstand „h“ gegenüber.
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Nachfolgend wird zur einfacheren Beschreibung der Funktionsweise und des Verfahrens angenommen, dass die Chlor-Messzelle CS auch Chlordioxid messen könnte. Soll Chlordioxid gemessen werden, ist eine andere Messzelle zu verwenden.
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Dem Strömungskanal S wird in 1 längs der Achse Y Prozesswasser zugeführt, das nachfolgend mit Messwasser M bezeichnet wird. Die Chlor-Messzelle CS dient der Messung des Chlorgehaltes in dem Messwasser M. Unter Messwasser M sind alle Flüssigkeiten und Prozesswasser zu verstehen, die mittels elektrochemischer Sensoren überwacht werden sollen. Eine wichtige Messgröße des Messwassers M ist das im Wasser gelöste Chlor, welches in Form von freiem Chlor, gebundenem Chlor und auch an Cyanursäure gebundenem Chlor vorliegen kann.
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Die Elektrolyse-Zelle EZ dient der Erzeugung von Chlor oder Chlordioxid. Die Membran 8 der Elektrolyse-Zelle EZ kann aus Silikon, Teflon oder anderen geeigneten Materialien bestehen. Die Achse x bildet die Achse, in der die Messzellen CS und EZ in der Durchflussarmatur eingelagert sind. In 1 verläuft der Strömungskanal S längs der Achse Y und quer zu der Achse X. Das Messwasser M strömt in der Ausführungsform nach 1 in gerader Linie an beiden Membranen 7 und 8 vorbei.
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In unerwünschter Weise können sich Ablagerungen, Schleim und Biofilme auf der Membran 7 ausbilden, die die Betriebsfunktion der Chlor-Messzelle CS bereits nach Tage oder Wochen erheblich stören. Das messtechnische Überwachen des Messwassers M mittels der Chlor-Messzelle CS kann aufgrund der Biofilme sogar zum vollständigen Ausfall der Chlor-Messzelle CS führen, die entweder reaktiviert oder ausgetauscht werden muss. Dies ist eine Betriebsstörung des Systems.
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Die Elektrolyse-Zelle EZ kommt vorzugsweise nur zeitweise zum Einsatz, wenn die Funktion der Chlor-Messzelle CS gestört ist oder reaktiviert werden muss. Hierzu erzeugt die Elektrolyse-Zelle EZ bei Bedarf Chlor oder Chlordioxid - die wie bekannt - eine hohe Reinigungs- und Desinfektionswirkung aufweisen. Die Elektrolyse-Zelle EZ dient der Aktivhaltung, der Reinigung, der Desinfektion, der Wiederherstellung der Funktionsweise und dem Test der Arbeitsweise der Chlor-Messzelle CS. Die Membran 8 selbst wird in vorteilhafter Weise durch das Chlor oder Chlordioxid gereinigt, das in der Elektrolyse-Zelle EZ erzeugt wurde.
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Wesentlich ist, in der Elektrolyse-Zelle EZ befindet sich als Elektrolyt Salz, das Chlorid- oder Chlorit-Ionen enthält. Wird die Elektrolyse-Zelle mit Strom angesteuert, entsteht aus dem chloridhaltigen Salz innerhalb des Elektrolytraums Chlor.
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Wird chlorithaltiges oder chlorathaltiges Elektrolyt verwendet, entsteht Chlordioxid. Das so zeitweise in der Elektrolyse-Zelle EZ erzeugte Chlor oder Chlordioxid durchdringt die Membran 8 und dient der Reinigung der gegenüberliegenden Membran 7 der Chlor-Messzelle CS.
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Bei Bedarf kann das Chlor auch innerhalb von bestimmten Zeitabschnitten impulsförmig erzeugt werden, um die Funktion der Chlor-Messzelle CS zu testen. Die Chlor-Messzelle CS detektiert das Chlor, sobald die Elektrolyse-Zelle EZ einen Chlor-Impuls erzeugt, der dann zu der Chlor-Messzelle CS diffundiert.
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Wird anstelle einer Chlor-Messzelle CS ein Chlordioxid-Sensor verwendet, kann dieser gleichfalls mit einem Chlordioxid-Impuls von der Elektrolyse-Zelle EZ getestet werden, die in diesem Fall Chlordioxid erzeugt. Die Vorrichtung bestehend aus Durchflussarmatur, der Elektrolyse-Zelle EZ und der Chlor-Messzelle CS dient somit der Aktivhaltung, der Reaktivierung, der Desinfektion und der Fernüberwachung des Betriebszustandes der Chlor-Messzelle CS oder eines anderen Sensors.
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Wichtig ist in 1 die beiden Membranen 7 und 8 exakt im Abstand „h“ im Strömungskanal S zu halten. Damit das erzeugte Chlor oder Chlordioxid von der Membran 8 zu der Membran 7 durch das Messwasser M diffundieren kann, ist es zweckmäßig, den Durchfluss des Messwassers M kurzfristig zu stoppen. Auf diese Weise kommt das Messwasser M zum Stillstand und ruht zwischen den Membranen 7 und 8.
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In 2 wird die Arbeitsweise des Durchflusselementes in Form einer Distanzscheibe näher beschrieben, die in Durchflussarmatur 1 eingesetzt ist. Beispielhaft werden eine Chlor-Messzelle CS und eine Elektrolyse-Zelle EZ angeführt, um die Funktionsweise des Durchflusselementes in Form einer Distanzscheibe zu umschreiben.
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2 zeigt die Durchflussarmatur1 mit der Distanzscheibe 21 in einem Längsschnitt entlang der Achse X. 3 zeigt eine Draufsicht der Distanzscheibe 21 entlang der Schnittlinie CC aus 2. Die Kanäle 22 und 23 erstrecken sich mindestens bis zu dem Durchbruch 24. Um einen größeren Diffusionsraum zu bilden, können sich die Kanäle 22 und 23 in Richtung der Achse Y über den Durchbruch 24 hinaus erstrecken, wie in 3 für den oberen Kanal 23 durch die Kanallänge w angedeutet ist. Der Kanal 23 weist eine Kanallänge w von vorzugsweise 20 bis 21 mm auf.
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Die Distanzscheibe 21 weist eine umlaufende Ringnut 26 auf, in der ein Dichtring 25 eingesetzt ist, der sich an der inneren Wandung der Durchflussarmatur 1 abstützt. Der Dichtring 25 und die Distanzscheibe 21 unterteilen den Hohlraum 2 in einen oberen Strömungsraum OR für die Chlor-Messzelle CS und in einen unteren Strömungsraum UR für die Elektrolyse-Zelle EZ.
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Damit das Messwasser M von dem unteren Strömungsraum UR in Richtung der Achse X in den oberen Strömungsraum OR fließen kann, ist ein vorzugsweise kreisförmiger Durchbruch 24 vorgesehen, der im Bereich der Membranen 7 und 8 angeordnet ist. Die Distanzscheibe 21 weist tellerförmige Vertiefungen 27 und 28 mit planen Auflageflächen 30 und 31 (vgl. 4, 5 und 6) auf. Die Chlor-Messzelle CS stützt sich unter Abdichtung des oberen Strömungsraums OR auf der Auflagefläche 30 ab. Die Elektrolyse-Zelle EZ stützt sich den unteren Strömungsraum UR abdichtend auf der Auflagefläche 31 ab (vgl. 2).
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Damit das Messwasser M von dem unteren Strömungsraum UR über den Durchbruch 24 zu dem oberen Strömungsraum OR fließen kann, sind radiale Kanäle 22 und 23 vorgesehen, wobei in 2 der das Messwasser M zuführende Kanal 22 zur Unterstützung einer besseren Anströmung eine bogenförmige Rundung 29 aufweist. Dem gegenüber ist der Kanal 23, über den das Messwasser M aus dem Durchbruch 24 abströmt, kantig ausgebildet. Wird die Durchströmung des Messwassers M zu einem geeigneten Zeitpunkt unterbrochen, bildet der Durchbruch 24 einen Diffusionsraum für das Chlor oder Chlordioxid, das von der Elektrolyse-Zelle EZ erzeugt durch die Membran 8 diffundieren kann.
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Aufgrund dieser zeitweisen Vorratshaltung des Chlors oder Chlordioxids in dem Durchbruch 24 kann die Reinigung und Desinfektion der Membran 7 der Chlor-Messzelle CS zu einem geeigneten Zeitraum vorgenommen werden. In vorteilhafter Weise können auch Chlor oder Chlordioxid impulsförmig in den Durchbruch 24 diffundieren beziehungsweise eingelagert werden, um die Arbeitsweise der Chlor-Messzelle CS zu testen. Wesentlich ist, dass Biofilme auf der Membran 7 beseitigt werden. Sollte sich ein Biofilm auf der Membran 8 der Elektrolyse-Zelle EZ ausbilden, ergibt sich der Vorteil, die Membran 8 wird durch das Chlor oder Chlordioxid mit beseitigt, das durch die Membran 8 diffundiert. In vorteilhafter Weise weist die Elektrolyse-Zelle EZ einen Selbstreinigungseffekt auf.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht der Distanzscheibe 21. Der 5 ist eine Seitenansicht der Distanzscheibe 21 entlang der Schnittlinie AA in 5 in Richtung der Achse Y zu entnehmen. Weiter zeigt 6 eine Seitenansicht der Distanzscheibe 21 entlang der Schnittlinie BB in 4 in Richtung der Achse Z. Die Distanzscheibe 21 ist symmetrisch ausgebildet. Während sich die Kanäle 22 und 23 in 5 nur bis zu dem Durchbruch 24 erstrecken, erstrecken sich die Kanäle 22 und 23 in Richtung der Achse Y bis zu dem Durchmesser, den die planen Auflageflächen 30, 31 aufweisen. Auf diese Weise wird ein größerer Diffusionsraum für das zeitweise erzeugte Chlor oder Chlordioxid geschaffen, der aus dem Volumen besteht, das der Durchmesser des Durchbruchs 24 zusammen mit dem Abstand „h“ aufspannt.
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Da die Distanzscheibe 21 eine runde Form aufweist, ist ein Einschieben in vorhandene Durchflussarmaturen 1 möglich, die mit der Reinigungs- und Desinfektions-Vorrichtung nachrüstbar sind. Die tellerförmigen Vertiefungen 27, 28 weisen einen konischen Trichter auf, der im Winkel α an die Kopfseite der Chlor-Messzelle CS und der Elektrolyse-Zelle EZ angepasst ist. Der Abstand „h“ entspricht der Dicke des Materials zwischen den planen Auflageflächen 30, 31. Die Distanzscheibe 21 besteht aus Kunststoff und vorzugsweise aus PVC, PEEK, ABS oder PMMA. Ebenso kann die Distanzscheibe 21 aus Keramik bestehen. Weiter kann die Distanzscheibe 21 aus Glas bestehen, das durchsichtig und/oder eingefärbt ist.
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In den soweit beschriebenen Ausführungen weist der Durchbruch 24 eine Kreisform mit dem Durchmesser p auf. Bei Bedarf sind auch andere Formen von Durchbrüchen 24 - wie zum Beispiel rechteckförmige oder quadratische Durchbrüche 24 - möglich. Die Chlor-Messzelle CS und die Elektrolyse-Zelle EZ ragen mit ihrem Kopfteil abschnittsweise in die zylinderische Vertiefung q, wobei der äußere Durchmesser der Zellen CS und EZ dem inneren Durchmesser d der Distanzscheibe entspricht. Die Distanzscheibe 21 weist vorzugsweise folgende Abmessungen auf:
- Winkel α = 20°
- Durchmesser d = 20 - 30 mm, vorzugsweise 24mm
- Durchmesser p = 6 mm
- Abstand „h“ = 0,1 - 10 mm
- Kanalbreite k = 4 mm
- Kanallänge w = 20 bis 21 mm
- Höhe I = 8,5 mm
- halbe Höhe m = 4,25 mm
- zylinderische Vertiefung q = 4 mm
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In 2 bis 6 ist die Distanzscheibe 21 als Einzelteil ausgebildet, das entsprechend angepasst in die Durchflussarmatur 1 einsetzt wird. In anderen Ausführungsformen kann die Distanzscheibe 21 zusammen mit der Durchflussarmatur 1 als einstückiges Spritzteil gefertigt sein. Ebenso kann die Distanzscheibe 21 an dem Kopfteil der Chlor-Messzelle CS oder der Elektrolyse-Zelle EZ befestigt sein. Das Kopfteil und die Distanzscheibe 21 können zum Beispiel miteinander verschraubt oder verklebt sein. Auf diese Weise lässt sich die Distanzscheibe 21 zusammen mit der Chlor-Messzelle CS oder der Elektrolyse-Zelle EZ aus der Durchflussarmatur 1 ziehen.
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Da die Durchflussarmatur 1 selbst durchsichtig ist, lässt sich kontrollieren, ob sich störende Fremdkörper in dem Durchbruch 24 angesammelt haben. Je nach Anwendungsfall kann die Durchflussarmatur 1 auch undurchsichtig sein, um einen Lichteinfall zu verhindern. Gerade bei Lichteinfall kann es verstärkt zu Biofilmen kommen. Die durchsichtige Durchflussarmatur 1 kann mit einem undurchsichtigen Schutzelement (nicht dargestellt) versehen sein, das abnehmbar oder wegschwenkbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 01:
- Durchflussarmatur
- 02:
- Hohlraum
- 03:
- Rohr (Zufluss Messwasser M)
- 04:
- Ventil
- 05:
- Bohrung
- 06:
- Bohrung
- 07:
- Membran/Elektrode des Chlor-Sensors (CS)
- 08:
- Membran der Elektrolyse-Zelle (EZ)
- 09:
- bis 20 entfallen
- 21:
- Durchflusselement (Distanzscheibe)
- 22:
- Kanal (Zuführung)
- 23:
- Kanal (Abfluss)
- 24:
- Durchbruch
- 25:
- Dichtring
- 26:
- Ringnut
- 27:
- tellerförmige Vertiefung
- 28:
- tellerförmige Vertiefung
- 29:
- Rundung
- 30:
- plane Auflagefläche
- 31:
- plane Auflagefläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0212038 [0006]
- DE 19748725 A1 [0007]
- DE 102010030489 A1 [0008]
- WO 2010/139398 A1 [0009]
- WO 2005/045422 A1 [0010]
- DE 102009054279 A1 [0011]
- DE 102012112457 [0012]