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Dokumentenidentifikation DE10200128B4 29.12.2005
Titel Verfahren zur Erkennung von Gasarten und Verfahren zum Betrieb einer Brennvorrichtung sowie Brennvorrichtung für die Durchführung dieser Verfahren
Anmelder Fa.Josef Reichenbruch, 59759 Arnsberg, DE
Erfinder Reichenbruch, Dirk, 59755 Arnsberg, DE
Vertreter FRITZ Patent- und Rechtsanwälte, 59757 Arnsberg
DE-Anmeldedatum 04.01.2002
DE-Aktenzeichen 10200128
Offenlegungstag 24.07.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 29.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.12.2005
IPC-Hauptklasse F23D 14/60
IPC-Nebenklasse F23N 1/02   F23N 5/12   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Gasarten bei einer Brennvorrichtung für Luft-Gasgemische, wobei die Brennvorrichtung einen Brennraum aufweist, dem ein Luftgasgemisch zugeführt werden kann. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren für den Betrieb einer Brennvorrichtung, mit der das Verfahren zur Erkennung von Gasarten durchführbar ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennvorrichtung für die Durchführung dieser Verfahren, wobei die Brennvorrichtung einen Brennbereich umfasst, dem über eine Gaszuführleitung und einen Luftzuführkanal ein Luft-Gasgemisch zuführbar ist, wobei der Gasvolumenstrom über einen Gasregler und der Luftvolumenstrom über ein Luftgebläse regulierbar sind und wobei der Gasvolumenstrom und der Luftvolumenstrom über Messmittel erfassbar sind.

Brennvorrichtungen der eingangs genannten Art sind hinlänglich bekannt und werden beispielsweise im häuslichen Bereich zu Heizzwecken eingesetzt. Als problematisch bei dem Betrieb derartiger Brennvorrichtungen erweist sich, dass es in Europa, insbesondere in Deutschland regional unterschiedliche Gasqualitäten gibt, auf die die dort im Einsatz befindlichen Brennvorrichtungen jeweils eingestellt sein müssen. Bei bekannter Gasart ist es möglich, die Brennvorrichtung derart einzustellen, dass eine optimale Verbrennung stattfindet. Das Problem liegt jedoch in der Erkennung der Gasart.

Es gibt im Stand der Technik einige Bestrebungen, die Brennvorrichtungen derart zu gestalten, dass sie die Gasarten erkennen können. Bei einer Methode wird der Ionisationsstrom der Flamme gemessen. Als problematisch hierbei erweist sich, dass die Kalibrierung eines derartigen Messsystems nur bei einer sogenannten Luftzahl &lgr; = 1 möglich ist. Bei &lgr; = 1 befindet sich das Maximum des Ionisationsstroms. Der Punkt &lgr; = 1 ist jedoch für die Verbrennung relativ kritisch, da hier Flammenrückschläge, Geräuschbildungen, vermehrte Emissionen und dergleichen auftreten können. Bei &lgr; ≐̸ 1 gibt es zu jedem Messwert zwei Luftzahlen die einander gleich sind, so dass man zusätzlich eine Veränderung des Mischungsverhältnisses und damit eine Veränderung von &lgr; herbeiführen muss, um einen unterschiedlichen Ionisationsstrom zu erlangen. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass der Ionisationsstrom auch bei einigen Brennertypen von der Leistung der Brennvorrichtung abhängig ist, so dass hier zusätzliche Aufwendungen betrieben werden müssen, um brennerspezifische Kennlinien in entsprechenden Regeleinheiten zu hinterlegen.

Ein weiterer aus dem Stand der Technik bekannter Ansatz ist die Bestimmung der Gasart über den Sauerstoffgehalt im Abgas. Es zeigt sich jedoch, dass die hierfür verwendeten Sensoren relativ teuer sind und nur eine relativ kurze Lebensdauer aufweisen.

In der Druckschrift DE 43 31 048 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines überstöchiometrisch arbeitenden Gasbrenners offenbart. Eine für den Verbrennungszustand repräsentative Flammeneigenschaft, die Lichtintensität, wird gemessen und ein Mittelwertsignal daraus gebildet. Dieser wird zum Regeln des Gas- und/oder Luftmassenstroms verwendet. Je nach Gasart ist einem definierten Wert der Standartabweichungen ein anderes Mittelwertsignal zugeordnet. Durch deren Erfassung ist das Regelsystem in der Lage, die Gasart zu erkennen und den Sollwert des Mittelwertsignals entsprechend vorzugeben.

In der Offenlegungsschrift US 5,971,745 wird eine Methode zur Überwachung eines Gasbrenners mittels einer Ionisationsstrommessung vorgestellt. Die genannte Methode macht sich den Zusammenhang zwischen der Ionenkonzentration und dem Gas-Luftverhältnis des Verbrennungsgases zu nutze.

Die Offenlegungsschrift DE 34 19 891 A1 stellt eine Möglichkeit vor, einen Gasbrenner an unterschiedliche Brenngasheizwerte anzupassen. Die Verbrennungstemperatur des Brenngases wird mittels Temperaturfühler gemessen. Eine an dem Temperaturfühler angeschlossene Steuereinrichtung regelt entsprechend die zugeführte Gasmenge.

Die Offenlegungsschrift DE 196 39 487 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art. Der zum Luft-Gasgemisch beitragende Luftvolumenstrom wird verändert, bis ein Erlöschen der Flamme eines ablaufenden Brennvorgangs auftritt. Anschließend wird das Gas-Luftverhältnis um einen zuvor einmalig ermittelten vorgegebenen Wert geändert, der dem Wert bei optimaler Verbrennung entspricht. Auf diese Weise wird der Brenner im Hinblick auf die Wobbezahl des verbrannten Gases kalibriert und kann durch Konstanthalten dieses Gas-Luftverhältnisses optimal betrieben werden. Es erfolgt somit eine Kopplung zwischen Gasart und Luftvolumenstrom bei festem Gasvolumenstrom.

Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung eines Verfahrens zur Erkennung von Gasarten der eingangs genannten Art, das einfacher und kostengünstiger durchführbar ist. Weiterhin liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art für den Betrieb einer Brennvorrichtung anzugeben. Weiterhin liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, eine Brennvorrichtung der eingangs genannten Art für die Durchführung dieser Verfahren zu schaffen, die einfacher und effektiver aufgebaut ist.

Diese Probleme werden hinsichtlich der Verfahren durch die kennzeichnenden Teile der Ansprüche 1 und 10 und hinsichtlich der Brennvorrichtung durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 12 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass in einem ersten Verfahrensschritt der zu dem Luft-Gasgemisch beitragende Luftvolumenstrom und/oder der zu dem Luft-Gasgemisch beitragende Gasvolumenstrom verändert werden, bis das Luft-Gasgemisch in dem Brennraum zündet oder bis ein Verlöschen der Flamme eines ablaufenden Brennvorgangs auftritt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird der Gasvolumenstrom und der Luftvolumenstrom über Messmittel erfasst. In einem dritten Verfahrensschritt wird aus dem zum Zündzeitpunkt oder zum Erlöschungszeitpunkt zum Luft-Gasgemisch beitragenden Luftvolumenstrom und Gasvolumenstrom die Gasart ermittelt. Um ein derartiges Verfahren durchzuführen braucht eine Brennvorrichtung Brenndetektionsmittel, die ein Zünden oder Löschen der Flamme detektieren können. Weiterhin benötigt die Brennvorrichtung dafür zusätzlich eine Regeleinheit, die aus den bei Dektekion der Zündung oder des Erlöschens der Flamme vorliegenden Gas- und Luftvolumenströmen die Gasart ermitteln kann. Eine derartige Vorrichtung ist somit wesentlich einfacher und zuverlässiger aufgebaut als die aus dem Stand der Technik bekannten Brennvorrichtungen. Weiterhin lässt sich das Verfahren wesentlich verlässlicher durchführen. Es zeigt sich, dass das Mischungsverhältnis von Luft und Gas zum Zündzeitpunkt bzw. zum Zeitpunkt des Erlöschens für jede Gasart charakteristisch und somit unterschiedlich ist. Dadurch lässt sich aus diesem Mischungsverhältnis mit hoher Sicherheit die Gasart ermitteln.

Die Brenndetektionsmittel können beispielsweise als Ionisationselektrode und/oder als Temperaturfühler ausgeführt sein. Mit einem jeden dieser Brenndetektionsmittel oder auch mit beiden zusammen lässt sich der Zündzeitpunkt bzw. der Zeitpunkt des Erlöschens der Flamme genügend genau bestimmen.

Das Verfahren zur Erkennung von Gasarten kann auf verschiedene Weisen durchgeführt werden.

Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei konstantem Luftvolumenstrom der Gasvolumenstrom erhöht, bis das Luft-Gasgemisch im Brennraum zündet. Alternativ dazu kann der Luftvolumenstrom verringert werden, während gleichzeitig der Gasvolumenstrom vergrößert wird, bis das Luftgasgemisch im Brennraum zündet. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, bei konstantem Gasvolumenstrom den Luftvolumenstrom zu verringern, bis das Luftgasgemisch im Brennraum zündet.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei konstantem Luftvolumenstrom der Gasvolumenstrom verringert, bis ein Erlöschen der Flamme bei einem ablaufenden Brennvorgang auftritt. Alternativ dazu kann der Gasvolumenstrom verringert werden, während gleichzeitig der Luftvolumenstrom erhöht wird, bis ein Erlöschen der Flamme bei einem ablaufenden Brennvorgang auftritt. Weiterhin besteht die Möglichkeit, bei konstantem Gasvolumenstrom den Luftvolumenstrom zu erhöhen, bis ein Erlöschen der Flamme bei einem ablaufenden Brennvorgang auftritt.

Insbesondere ist es sinnvoll, vor dem Zünden der Flamme der Brennvorrichtung dem Brennraum ein Luft-Gasgemisch zuzuführen, das aufgrund seines Mischungsverhältnisses unter normalen Betriebsbedingungen nicht entzündbar ist. Dadurch wird erst bei entsprechender Veränderung des Luft-Gasgemisches zu einem kritischen Punkt ein Luft-Gasgemisch erzeugt, dass zündbar ist. Der auf diese Weise zu ermittelnde kritische Punkt ist charakteristisch für die Gasart.

Entsprechend ist es sinnvoll, dass dem Brennraum bei einem ablaufenden Brennvorgang vor dem Verlöschen der Flamme ein Luft-Gasgemisch zugeführt wird, das aufgrund seines Mischungsverhältnisses unter normalen Betriebsbedingungen entzündbar ist bzw. in diesem Falle bereits brennt. Erst durch Veränderung des Mischungsverhältnisses wird ein kritischer Punkt erreicht, an dem die Flamme erlischt. Durch Ermittlung dieses kritischen Punktes kann vergleichsweise sicher auf die vorliegende Gasart geschlossen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren für den Betrieb einer Brennervorrichtung sieht vor, dass nach der Durchführung eines Verfahrens zur Gasartenerkennung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 entsprechend der ermittelten Gasart eine Einstellung der Brennvorrichtung für die ermittelte Gasart erfolgt. Dies kann insbesondere dadurch geschehen, dass der Gasvolumenstrom und der Luftvolumenstrom in Abhängigkeit von der ermittelten Gasart einreguliert werden kann. Auf diese Weise wird mit einfachen Mitteln sicher gestellt, dass die Brennvorrichtung mit für die ermittelte Gasart optimalen Betriebsparametern läuft.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen

1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Brennvorrichtung;

2 ein Diagramm, das den Zusammenhang von Gasvolumenstrom und Luftvolumenstrom für unterschiedliche Gasarten zeigt;

3 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen Gasvolumenstrom und Leistung bei unterschiedlichen Gasarten zeigt;

4 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Flammentemperatur und der Leistung bei unterschiedlichen Luftzahlen zeigt.

Aus 1 ist ersichtlich, dass eine erfindungsgemäße Brennvorrichtung eine Düseneinheit 1 umfasst, aus der ein Luftgasgemisch in einen Brennraum 2 austreten kann. In dem Brennraum 2 sind weiterhin Wärmetauschermittel 3 angeordnet. An den Brennraum 2 schließt sich die Abgasleitung 14 an.

Für die Zuführung des Luft-Gasgemisches zu der Düseneinheit 1 umfasst die Brennvorrichtung ein Luftgebläse 4, das über einen Luftzuführkanal 5 mit der Düseneinheit 1 verbunden ist. Die Brennvorrichtung umfasst weiterhin eine Gaszuführleitung 6, die in den Luftzuführkanal 5 mündet und somit ebenfalls eine Zufuhr von Gas zu der Düseneinheit 1 gewährleistet.

In der Gaszuführleitung 6 sind ein Gasregler 7 und strömungstechnisch hinter diesem ein Messmittel 8 für den Gasvolumenstrom V.G angeordnet. Weiterhin ist in dem Luftzuführkanal 5 zwischen dem Luftgebläse 4 und der Einmündung der Gaszuführleitung 6 ein Messmittel 9 für den Luftvolumenstrom V.L angeordnet.

Die Brennvorrichtung umfasst weiterhin eine Ionisationselektrode 10, die derart von einer Regeleinheit 11 angesteuert werden kann, dass eine Flamme 12, mit der das Luftgasgemisch brennt, erkannt werden kann. Die Flamme 12 kann in herkömmlicher Weise mit einer Pilotflamme, einer Zündelektrode oder einem Glühzünder gezündet werden. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Brennvorrichtung optional einen ebenfalls im Brennbereich vor der Düseneinheit 1 angeordneten Temperaturfühler 13, der ebenfalls mit der Regeleinheit 11 verbunden ist.

Mit der Regeleinheit 11 sind weiterhin der Gasregler 7 und das Luftgebläse 4 sowie die Messmittel 8, 9 für den Gasvolumenstrom V.G und für den Luftvolumenstrom V.L verbunden.

Insbesondere aus 3 ergibt sich, dass für unterschiedliche Gassorten, von denen beispielhaft eine Gassorte G 20, eine Gassorte G 21 und eine Gassorte G 231 dargestellt sind, unterschiedliche Abhängigkeiten der Leistung P von dem Gasvolumenstrom V.G bestehen. Weiterhin zeigt sich aus 4, dass die Beziehung zwischen der Flammtemperatur T und der Leistung P abhängig ist von der Luftzahl &lgr;, die abhängig ist von dem Mischungsverhältnis des verbrennenden Gas-Luftgemisches. Es ist sinnvoll auf einer der in 4 abgebildeten Kurven einen Arbeitspunkt in Abhängigkeit von der verwendeten Gasart zu wählen.

Erfindungsgemäß kann die Gasart dadurch bestimmt werden, dass beispielsweise beim Starten der Brennvorrichtung bei konstantem Luftvolumenstrom V.L der Gasregler 7 dazu veranlasst wird, den Gasvolumenstrom V.G kontinuierlich zu erhöhen. Dies entspricht in 2 der vertikalen Linie 15. Durch Fortschreiten auf der Linie 15 nach oben wird der Gasvolumenstrom V.G bei konstantem Luftvolumenstrom V.L erhöht. Die in 2 abgebildeten Geraden stellen für unterschiedliche Gasarten G 20, G 21, G 231 eine Zündgrenze in Abhängigkeit von Gasvolumenstrom V.G und Luftvolumenstrom V.L dar. Hierbei wird davon ausgegangen, dass beispielsweise an der Zündelektrode eine ausreichend hohe Zündspannung anliegt. Wenn der Gasvolumenstrom V.G den Wert erreicht, bei dem die vertikale Linie 15 die Gerade V.G 20 schneidet, zündet die Flamme.

Die Regeleinheit 11 der erfindungsgemäßen Brennvorrichtung kann zum Zündzeitpunkt durch Messung des Gasvolumenstroms V.G bzw. des Luftvolumenstroms V.L vermittels der Messmittel 8, 9 exakt ermitteln, welche Gasart vorliegt, da gemäß 2 bei unterschiedlichen Gasarten die Zündung der Flamme bei einem unterschiedlichen Verhältnis von Gasvolumenstrom V.G zum Luftvolumenstrom V.L zündet. Das Zünden der Flamme 12 kann der Regeleinheit 11 durch den Temperaturfühler 13 übermittelt werden, der damit als Brenndetektionsmittel dient. Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch eine Rückmeldung von der als Detektionsmittel dienenden Ionisationselektrode 10 an die Regeleinheit 11 erfolgen, wodurch ebenfalls das Zünden der Flamme 12 an die Regeleinheit 11 weitergegeben wird.

In 2 ist weiterhin eine horizontale Linie 16 eingezeichnet, die verdeutlicht, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch bei dem Abschalten des Brenners eingesetzt werden kann. Hier kann dann beispielsweise bei konstantem Gasvolumenstrom V.G der Luftvolumenstrom längs der Linie 16 erhöht werden, bis der Schnittpunkt mit der Geraden G 20 erreicht wird, bei dem die Flamme 12 erlischt. Alternativ dazu kann natürlich auch bei konstantem Luftvolumenstrom V.L der Gasvolumenstrom V.G vermindert werden, bis die Flamme erlischt. Hierbei kann ebenfalls jeweils die Regeleinheit 11 aus dem Verhältnis von Gasvolumenstrom V.G zu Luftvolumenstrom V.L zum Zeitpunkt des Erlöschens die Gasart bestimmen.

Entsprechend der ermittelten Gasart kann die Regeleinheit den Gasvolumenstrom V.G und den Luftvolumenstrom V.L derart über den Gasregler 7 und das Luftgebläse 4 regulieren, dass ein optimaler Betrieb der erfindungsgemäßen Brennvorrichtung ermöglicht wird.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Erkennung von Gasarten bei einer Brennvorrichtung für Luft-Gasgemische, wobei die Brennvorrichtung einen Brennraum (2) aufweist, dem ein Luftgasgemisch zugeführt werden kann, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

    – der zu dem Luftgasgemisch beitragende Luftvolumenstrom (V.L) und/oder der zu dem Luftgemisch beitragende Gasvolumenstrom (V.G) werden verändert, bis das Luftgasgemisch in dem Brennraum (2) zündet oder bis ein Verlöschen der Flamme (12) eines ablaufenden Brennvorgangs auftritt;

    – der Gasvolumenstrom (V.G) und der Luftvolumenstrom (V.L) werden über Messmittel (8, 9) erfasst;

    – aus dem zum Zündzeitpunkt oder zum Erlöschungszeitpunkt zum Luftgasgemisch beitragenden Luftvolumenstrom (V.L) und Gasvolumenstrom (V.G) wird die Gasart ermittelt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstantem Luftvolumenstrom (V.L) der Gasvolumenstrom (V.G) erhöht wird, bis das Luft-Gasgemisch im Brennraum (2) zündet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftvolumenstrom (V.L) verringert wird, während gleichzeitig der Gasvolumenstrom (V.G) vergrößert wird, bis das Luftgasgemisch im Brennraum (2) zündet.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstantem Gasvolumenstrom (V.G) der Luftvolumenstrom (V.L) verringert wird, bis das Luftgasgemisch im Brennraum (2) zündet.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstantem Luftvolumenstrom (V.L) der Gasvolumenstrom (V.G) verringert wird, bis ein Erlöschen der Flamme (12) bei einem ablaufenden Brennvorgang auftritt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasvolumenstrom (V.G) verringert wird, während gleichzeitig der Luftvolumenstrom (V.L) erhöht wird, bis ein Erlöschen der Flamme (12) bei einem ablaufenden Brennvorgang auftritt.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstantem Gasvolumenstrom (V.G) der Luftvolumenstrom (V.L) erhöht wird, bis ein Erlöschen der Flamme (12) bei einem ablaufenden Brennvorgang auftritt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Zünden der Flamme (12) der Brennvorrichtung dem Brennraum (2) ein Luftgasgemisch zugeführt wird, dass aufgrund seines Mischungsverhältnisses unter normalen Betriebsbedingungen nicht entzündbar ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brennraum (2) vor dem Verlöschen der Flamme (12) bei einem ablaufenden Brennvorgang ein Luft-Gasgemisch zugeführt wird, dass aufgrund seines Mischungsverhältnisses unter normalen Betriebsbedingungen entzündbar ist.
  10. Verfahren für den Betrieb einer Brennvorrichtung, bei dem nach Durchführung eines Verfahrens zur Gasartenerkennung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 entsprechend der ermittelten Gasart eine Einstellung der Brennvorrichtung für die ermittelte Gasart erfolgt.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasvolumenstrom (V.G) und der Luftvolumenstrom (V.L) in Abhängigkeit von der ermittelten Gasart einreguliert werden.
  12. Brennvorrichtung für die Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Brennvorrichtung einen Brennbereich (2) umfasst, dem über eine Gaszuführleitung (6) und einen Luftzuführkanal (5) ein Luft-Gasgemisch zuführbar ist, wobei der Gasvolumenstrom (V.G) über einen Gasregler (7) und der Luftvolumenstrom (V.L) über ein Luftgebläse regulierbar sind und wobei der Gasvolumenstrom (V.G) und der Luftvolumenstrom (V.L) über Messmittel (8, 9) erfassbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennvorrichtung weiterhin Brenndetektionsmittel umfasst, die ein Zünden oder Erlöschen der Flamme (12) detektieren können, und dass die Brennvorrichtung zusätzlich eine Regeleinheit (11) umfasst, die aus den bei Detektion der Zündung oder des Erlöschens der Flamme (12) vorliegenden Gas- und Luftvolumenströmen (V.G, V.L) die Gasart ermitteln kann.
  13. Brennvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenndetektionsmittel als Ionisationselektrode (10) und/oder als Temperaturfühler (13) ausgeführt sind.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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