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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft die Reinigung und Aufbereitung von Luft. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Kabinenluftreinigungsvorrichtung zur Reinigung von Luft für eine Kabine eines Transportmittels sowie ein Luftversorgungssystem für ein Transportmittel.
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Technischer Hintergrund der Erfindung
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Überall wo Luft oder Atemluft einem Raum zugeführt wird, in dem sich beispielsweise Personen aufhalten, oder wo die Luft in einem solchen Raum aufbereitet werden muss, finden Filter zur Heraustrennung von Elementen aus der Luft Anwendung.
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DE 101 33 831 C1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum selektiven Entfernen von gasförmigen Schadstoffen aus der Raumluft.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es kann als eine Aufgabe der Erfindung angesehen werden, unerwünschte Substanzen aus einem einer Kabine eines Transportmittels zugeführten Luftstrom zuverlässig und mit geringem Energieaufwand zu entfernen.
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Es sind eine Kabinenluftreinigungsvorrichtung und ein Luftversorgungssystem gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche angegeben. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Viele der im Folgenden im Hinblick auf die Kabinenluftreinigungsvorrichtung und das Luftversorgungssystem beschriebenen Merkmale lassen sich auch als Verfahrensschritte implementieren und umgekehrt.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Kabinenluftreinigungsvorrichtung zur Reinigung von Luft für eine Kabine eines Transportmittels angegeben, welche eine Ionisierungseinrichtung und eine Adsorptionseinrichtung aufweist. Dabei dient die Ionisierungseinrichtung zur Ionisierung von Atomen oder Molekülen, die in der Luft enthalten sind und die Adsorptionseinrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes und zur Adsorption der ionisierten Atome oder Moleküle. Das elektrische Feld dient zum Bewegen der ionisierten Atome oder Moleküle in Richtung der Adsorptionseinrichtung. Die Adsorptionseinrichtung weist Aktivkohle, ein Silikat-Mineral, Zeolithe und/oder Silikatgel als Adsorbermaterial auf.
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Die Kabinenluftreinigungsvorrichtung wie oben und im Folgenden beschrieben eignet sich beispielsweise zur Kabinenluftreinigung bei Luftfahrzeugen und darüber hinaus zur Kabinenluftaufbereitung in Raumstationen.
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Durch die Kabinenluftreinigungsvorrichtung können einkernige aromatische Verbindungen (z. B. Benzol, Toluol, Xylole, etc., welche im Weiteren als Luftverunreinigungen bezeichnet werden), welche bereits in sehr geringen Konzentrationen im Bereich von 10–6 oder 10–9 ein erhebliches Gefährdungspotenzial, beispielsweise für Passagiere in einem Luftfahrzeug, beinhalten, aus einem Luftstrom herausgefiltert werden. Insbesondere bei teilweise geschlossenen Kabinenluftkreisläufen ist eine Abtrennung der Luftverunreinigungen von der Atemluft erforderlich. Die hier beschriebene Kabinenluftreinigungsvorrichtung ermöglicht eine Abtrennung der Luftverunreinigungen zunächst durch Ionisation der Luftverunreinigungen und einer anschließenden elektrostatisch unterstützten Adsorption.
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Grundsätzlich lassen sich Luftverunreinigungen, beispielsweise durch die oben genannten einkernigen aromatischen Verbindungen, durch Adsorbermaterialien wie Aktivkohle, Zeolithe und Silikatgel aus der Luft abtrennen.
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Aufgrund der niedrigen Toleranzschwelle solcher einkernigen aromatischen Verbindungen erweist sich jedoch eine herkömmliche Adsorption als wenig praktikabel, da die Adsorberbetten unverhältnismäßig groß dimensioniert werden müssen. Die Kabinenluftreinigungsvorrichtung ermöglicht es, die Größe der Adsorberbetten zu reduzieren.
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Eine weitere Art der Eliminierung von Luftverunreinigungen aus beispielsweise der Kabinenluft eines Luftfahrzeugs besteht in der Anwendung oxidativer Plasmaentladungen und Barrierenentladungen. Diese erfordern allerdings infolge zusätzlich produzierter Schadstoffe, wie z. B. Ozon und Stickoxiden, Zusatzmaßnahmen zu deren Eliminierung. Die Kabinenluftreinigungsvorrichtung ermöglicht eine Luftfilterung, ohne dass zusätzlich produzierte Schadstoffe anfallen.
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Die Adsorptionseinrichtung kann wenigstens zwei Adsorberschichten aufweisen, welche parallel zu einer Strömungsrichtung der zugeführten Luft angeordnet sind und stationäre elektrische Felder die ionisierten Atome und Moleküle der Luftverschmutzungen so in Richtung der Adsorberschichten bewegen, dass die Luftverschmutzungen an den Adsorberschichten haften bleiben.
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Erfindungsgemäß weist die Adsorptionseinrichtung eine Hochspannungsquelle und mehrere Adsorberschichten auf, wobei die Adsorberschichten mit der Hochspannungsquelle verbunden sind, um das elektrische Feld zu erzeugen.
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Die Adsorptionseinrichtung weist wenigstens zwei Adsorberschichten auf. Darüber hinaus kann die Adsorptionseinrichtung eine beliebige Anzahl an Adsorberschichten aufweisen.
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Mit zunehmender Anzahl der Adsorberschichten kann beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit der zu reinigenden Luft höher werden, da die gesamte Adsorptionsfläche mit der steigenden Zahl von Adsorberschichten zunimmt.
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Zwischen jeweils zwei Adsorberschichten kann jeweils der gleiche oder ein unterschiedlicher Abstand vorliegen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass mit geringer werdendem Abstand zwischen den Adsorberschichten die ionisierten Atome und Moleküle eine geringere Ablenkung durch das elektrische Feld erfahren müssen, um von einer Adsorberschicht adsorbiert zu werden.
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Erfindungsgemäß sind die Adsorberschichten parallel zueinander und beabstandet zueinander angeordnet.
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Bei den Adsorberschichten kann es sich z. B. um Platten handeln, welche über eine Kaskadenschaltung miteinander verbunden sind und an welchen eine Gleichspannung anliegt. An den Adsorberschichten kann sich beispielsweise Aktivkohle als gepresste Schüttung oder poröser Körper zwischen zwei porösen Kunststoffplatten befinden, wobei die Aktivkohle dazu dient, die Luftverschmutzungen zu adsorbieren.
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Durch die elektrische Leitfähigkeit der Aktivkohle wird eine ausreichende elektrische Kontaktierung der Kaskadenschaltung sichergestellt. Die elektrische Kontaktierung kann beispielsweise auch durch ein Metallnetz, welches in die Aktivkohle eingearbeitet ist, unterstützt werden.
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Die Kabinenluftreinigungsvorrichtung wie oben und im Folgenden beschrieben kann insbesondere in die Luftzufuhr eines Raumes eingebaut werden, beispielsweise in ein Luftrohr. Ebenso kann die Kabinenluftreinigungsvorrichtung nachträglich in bereits bestehende Lüftungssysteme eingebaut werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Ionisierungseinrichtung einen Laser auf, dessen Strahl die Ionisierungsenergie zur Ionisierung der Atome oder Moleküle, welche die Luftverunreinigung darstellen, bereitstellt.
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Dabei kann der Laser in Strömungsrichtung der Luft vor der Adsorptionseinrichtung angeordnet sein, um in einem Wirkbereich des Lasers die Atome und Moleküle der Luftverschmutzungen zu ionisieren, so dass diese von dem elektrischen Feld in Richtung der Adsorptionseinrichtung gelenkt werden können.
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Die Ionisierungsenergie des Lasers kann beispielsweise zwischen 8 und 10 eV liegen. Zur Ionisierung ist ein Zwei-Photonenprozess erforderlich, wobei zunächst vom jeweiligen Grundzustand ein erster angeregter Zustand erreicht wird. Der Grundzustand kann ein Singulett-Grundzustand S0 und der erste angeregte Zustand ein Singulett-Zustand S1 sein. Vom ersten angeregten Zustand erfolgt die Ionisierung unter Bildung positiver Aromatenionen und Elektronen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erzeugt der Laser einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge zwischen 230 nm und 260 nm. Laser in dem genannten Wellenlängenbereich können beispielsweise durch Excimer-Laser, durch frequenzvervielfachende Neodym-dotierte Laser oder durch frequenzverdoppelnde Titan-Saphir-Laser realisiert werden. Die im Wirkbereich des Lasers erzeugten Aromatenionen werden durch stationäre elektrische Felder zwischen Adsorberschichten aus Aktivkohle aus dem Gasvolumen abgetrennt, neutralisiert und adsorbiert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Adsorberschichten jeweils zwei poröse Kunststoffplatten auf, zwischen denen sich das Adsorbermaterial befindet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Adsorberschichten jeweils ein Netz oder Gitter aus elektrisch leitfähigem Material auf, das in das Adsorbermaterial eingebettet ist und an welches die Hochspannungsquelle angeschlossen ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Luftversorgungssystem für ein Transportmittel angegeben, welches eine Luftleitung mit einer Kabinenluftreinigungsvorrichtung wie oben und im Folgenden beschrieben aufweist.
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Bei dem Transportmittel wie oben und im Folgenden beschrieben kann es sich um jegliche Transportmittel handeln, insbesondere um Transportmittel, welche für den Personentransport oder für den Lebendtiertransport vorgesehen sind, beispielsweise Luftfahrzeuge, Züge, Schiffe oder Straßenfahrzeuge, wie z. B. Busse oder Lastfahrzeuge.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Adsorberschichten parallel zu einer Längsachse der Luftleitung angeordnet.
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Diese Anordnung der Adsorberschichten ermöglicht insbesondere die Reinigung von Luft, welche schnell an den Adsorberschichten vorbeiströmt.
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Die Adsorberschichten können modular aus der Adsorptionseinrichtung entfernt werden. Insbesondere wird so ein einfacher und schneller Austausch von Adsorberschichten ermöglicht, deren Adsorptionskapazität ausgeschöpft ist.
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Ein Verfahren zur Reinigung von Luft für eine Kabine eines Transportmittels kann die folgenden Schritte aufweisen: Ionisieren von Atomen oder Molekülen, die in der Luft enthalten sind, Erzeugen eines elektrischen Feldes, Bewegen der ionisierten Atome oder Moleküle in Richtung einer Adsorptionseinrichtung, Adsorbieren der ionisierten Atome oder Moleküle an der Adsorptionseinrichtung, wobei die Adsorptionseinrichtung Aktivkohle, ein Silikat-Mineral, Zeolithe und/oder Silikatgel als Adsorbermaterial aufweist.
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Das Verfahren wie oben und im folgenden beschrieben kann weiterhin den Schritt aufweisen, dass die Luft nach der Adsorption der ionisierten Atome oder Moleküle an der Adsorptionseinrichtung in eine Kabine des Transportmittels eingeleitet wird.
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Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 zeigt eine Kabinenluftreinigungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2 zeigt eine Kabinenluftreinigungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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3 zeigt ein Transportmittel mit einer Kabinenluftreinigungsvorrichtung.
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4 zeigt ein Verfahren zur Reinigung von Luft für eine Kabine eines Transportmittels.
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu.
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Werden in der folgenden Figurenbeschreibung gleiche Bezugsziffern verwendet, so betreffen diese gleiche oder ähnliche Elemente.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt eine Kabinenluftreinigungsvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Kabinenluftreinigungsvorrichtung weist eine Ionisierungseinrichtung 101 und eine Adsorptionseinrichtung 102 auf. Durch ein Luftrohr 103 wird ein Luftstrom an der Ionisierungseinrichtung 101 und der Adsorptionseinrichtung 102 vorbeigeführt.
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Das Luftrohr 103 kann ein Luftrohr beliebigen Ausmaßes sein. Insbesondere kann es sich dabei um ein Luftrohr mit einem Durchmesser zwischen 10 cm und 30 cm handeln.
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Der ungereinigte Luftstrom wird zunächst entlang des Richtungspfeils 104 an der Ionisierungseinrichtung vorbeigeführt, wodurch die Atome und Moleküle der Luftverschmutzungen ionisiert werden. Die ionisierten Atome und Moleküle werden durch ein elektrisches Feld, welches von der Adsorptionseinrichtung erzeugt wird, so abgelenkt, dass sie von der Adsorptionseinrichtung adsorbiert werden und die aus der Kabinenluftreinigungsvorrichtung ausströmende Luft 105 von Luftverschmutzungen befreit ist.
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2 zeigt eine Kabinenluftreinigungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der verunreinigte Luftstrom mit den angedeuteten Luftverschmutzungen X, Y strömt in einem Luftrohr 103 zunächst durch einen Wirkbereich 214 der Ionisierungseinrichtung.
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Die Adsorberschichten 202, 203, 204, 205, 206 sind in Form einer Kaskadenschaltung mit einer Hochspannungsquelle 207 verbunden. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist lediglich ein Potentialzweig der Hochspannungsquelle dargestellt. Selbstverständlich erfordert die Erzeugung eines elektrischen Feldes zur Ablenkung der ionisierten Atome und Moleküle zwei unterschiedliche elektrische Potentiale. Dabei ist die Hochspannungsquelle so mit der Adsorptionseinrichtung verbunden, dass zwischen Adsorberbetten, welche an unterschiedliche elektrische Potentiale angeschlossen sind, ein elektrisches Feld zur Ablenkung der ionisierten Atome und Moleküle entsteht.
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Die Adsorberschichten sind parallel zu einer Längsachse des Luftrohrs angeordnet, wobei die Längsachse in einer Richtung des Luftstroms 104 verläuft.
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Wie 2 zeigt, können die Adsorberschichten an den Adsorberbetten der Adsorptionseinrichtung so angeordnet sein, dass die Adsorberschichten die Adsorberbetten umschließen. Die Adsorberschichten können aber auch lediglich einseitig, so z. B. auf einer Oberseite oder einer Unterseite, auf den Adsorberbetten der Adsorptionseinrichtung aufgetragen sein, wobei die Oberseite und die Unterseite parallel zu dem Luftstrom 104 verlaufen und einander entgegengesetzt sind.
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Beispielsweise können in den Adsorberschichten eingewebte Metallgitter an ein erstes elektrisches Potential und die Adsorberbetten an ein zweites elektrisches Potential angeschlossen werden. Damit entsteht jeweils zwischen einem Metallgitter und einem Adsorberbett, beispielsweise den Platten der Adsorberschichten 202, 203, 204, 205, 206, ein elektrisches Feld.
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Entsprechend der Ionisierung im Wirkbereich der Ionisierungseinrichtung werden die Luftverunreinigungen vom elektrischen Feld zwischen den Adsorberschichten in eine erste Richtung 212 oder eine entgegengesetzte zweite Richtung 213 abgelenkt, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung von dem Potenzialgefälle 210 zwischen den Polen der Hochspannungsquelle vorgegeben wird.
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Die Adsorberschichten können beispielsweise eine Dicke von 0,1 bis 1,0 mm bei einem Abstand zwischen den Adsorberschichten von 2 bis 10 mm aufweisen.
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In Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit der Luft durch das Luftrohr 103 kann der Abstand zwischen den Adsorberschichten oder die Spannung der Hochspannungsversorgung variiert werden, so dass sichergestellt werden kann, dass die ionisierten Atome und Moleküle der Luftverunreinigungen eine hinreichende Ablenkung durch das elektrische Feld erfahren, so dass sie an den Adsorberschichten haften bleiben.
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3 zeigt ein Transportmittel 300.
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Das Transportmittel 300 weist ein Luftversorgungssystem 301 auf. Das Luftversorgungssystem 301 dient der Versorgung der Kabine 302 des Transportmittels 300. Dabei kann das Luftversorgungssystem Luft aus dem Inneren der Kabine 302 aufbereiten oder aber auch Luft aus der Umgebung des Transportmittels 300 aufnehmen, reinigen und der Kabine zuführen.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Reinigung von Luft für eine Kabine eines Transportmittels.
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In einem ersten Schritt 401 erfolgt das Ionisieren von Atomen oder Molekülen, die in der Luft enthalten sind.
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In einem zweiten Schritt 402 erfolgt das Erzeugen eines elektrischen Feldes.
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In einem dritten Schritt 403 werden die ionisierten Atome oder Moleküle in Richtung einer Adsorptionseinrichtung bewegt.
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In einem vierten Schritt 404 werden die ionisierten Atome oder Moleküle an der Adsorptionseinrichtung adsorbiert.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend” oder „aufweisend” keine anderen Elemente ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
