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Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Auslöseeinheit, einem System sowie einem Verfahren zur gezielten Auslösung einer thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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Druckbehaftete Tanksysteme für Kraftfahrzeuge müssen je Drucktank ein Druckentlastungsventil enthalten, das bei einer definierten Temperatur auslöst und den betreffenden Tank entleert. Dies ist insbesondere im Brandfall wichtig, damit das betreffende Tankgefäß bei Erweichen der Außenhülle nicht Bersten kann - sondern der Druck definiert abgebaut wird. Heute bekannte Kraftstofftanks können hierbei entweder durch sog. TPRD's („Temperature Pressure Release Devices“), die bei einer definierten Temperatur selbstständig auslösen oder durch gezielte elektrische Ansteuerung von im Tanksystem enthaltenen Ventilen, druckentlastet werden.
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Ist ein Kraftfahrzeug mit einem druckbehafteten Kraftstofftank allerdings beschädigt oder außer Funktion, sodass voranstehend beschriebene elektrisch steuerbare Ventile nicht mehr angesteuert werden können, bspw. nach einem Unfall oder dergleichen, besteht keine Möglichkeit mehr die Kraftstofftanks gezielt zu entleeren. Die Entleerung solcher druckbehafteten Tanks stellt für Rettungskräfte und Servicepersonal dann eine große Gefahrenquelle dar.
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Zwar sind aus dem Stand der Technik auch Ansätze bekannt, innerhalb von Kraftstofftanks angeordnete Druckentlastungsventile über an der Außenseite von Kraftfahrzeugen angeordnete Kontaktstellen anzusteuern und auszulösen, jedoch weisen die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme hierbei das Problem auf, dass eine gezielte Auslösung der Systeme bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen nicht gleichermaßen zuverlässig erfolgt. Insbesondere bei niedrigen Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes ist häufig eine sichere und zuverlässige Auslösung nur schwer erreichbar. Zudem sind die Kontaktstellen bei den voranstehend beschriebenen Systemen in der Regel lediglich außen am Fahrzeug angeordnet und unterliegen somit entweder großem Verschleiß oder müssen konstruktiv aufwendig und kostenintensiv vor einem entsprechenden Verschleiß geschützt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist gemäß einem ersten Aspekt eine Auslöseeinheit zur gezielten Auslösung einer thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug sowie gemäß einem zweiten Aspekt ein System zur gezielten Auslösung einer thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung und gemäß einem dritten Aspekt ein Verfahren zur gezielten Auslösung einer thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Auslöseeinheit beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die erfindungsgemäße Auslöseeinheit zur gezielten Auslösung einer thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug dient insbesondere der Gewährleistung einer sicheren Abführung eines innerhalb eines Kraftstofftanks angeordneten Kraftstoffs, im Falle, dass ein Kraftfahrzeug derartig beschädigt ist, dass innerhalb des Kraftstofftanks angeordnete Druckentlastungsvorrichtungen nicht mehr ansteuerbar sind. Hierbei ist die betreffende Auslöseeinheit konstruktiv einfach und kostengünstig und dennoch langlebig und stabil ausgeführt, sodass eine zuverlässige gezielte Auslösung einer thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung auch nach Jahren der Benutzung möglich ist.
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Die erfindungsgemäße Auslöseeinheit zur gezielten Auslösung einer thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung kann insbesondere in Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen zum Einsatz kommen. Ebenfalls denkbar ist zudem der Einsatz in anderen Fortbewegungsmitteln, wie Gabelstaplern, Kränen, Schiffen oder Flugobjekten. Ebenso ist auch ein Einsatz in stationären Systemen denkbar. Die erfindungsgemäße Auslöseeinheit umfasst hierbei eine elektrische Kontaktierungsstelle zum Anlegen einer elektrischen Spannung, eine thermisch gesteuerte Druckentlastungsvorrichtung zur Druckentlastung eines druckbelasteten Kraftstofftanks sowie ein zwischen der elektrischen Kontaktierungsstelle und der thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung angeordneter elektrischer Leiter zum Führen eines Heizstroms zwischen der elektrischen Kontaktierungsstelle und der thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung, wobei die thermisch gesteuerte Druckentlastungsvorrichtung ein Berstelement und ein Widerstandsheizelement aufweist. Hierbei zeichnet sich die erfindungsgemäße Auslöseeinheit dadurch aus, dass das Widerstandsheizelement in Form eines PTC-Heizelementes gebildet ist. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Ausbildung des Widerstandsheizelementes in Form eines PTC-Heizelementes ist es insbesondere möglich, auf konstruktiv einfache und kostengünstige Art und Weise eine sichere und zuverlässige Auslösung bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen, insbesondere auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes zu gewährleisten. Ein PTC-Heizelement ist hierzu insbesondere aufgrund seines extrem hohen positiven Temperaturkoeffizienten geeignet, der eine hohe Leitfähigkeit auch bei niedrigen Temperaturen gewährleistet.
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Unter einer gezielten Auslösung wird im Rahmen der Erfindung eine bewusst gesteuerte Auslösung verstanden. Unter einer elektrischen Kontaktierungsstelle wird im Rahmen der Erfindung vorzugsweise ein elektrisch leitfähiger Kontakt, insbesondere ein metallischer Kontakt verstanden. Der Kontakt kann hierbei vielfältig ausgebildet sein, bspw. als Teil eines Steckkontaktes, insbesondere in Form eines Pins oder einem Bauteil mit einer Ausnehmung zur Einführung eines Pins. Unter einer leicht zugänglichen Position wird im Rahmen der Erfindung insbesondere eine Position verstanden, die in einer Notfallsituation schnell und ohne Mühe aufgefunden werden kann.
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Im Hinblick auf eine einfache und kostengünstige Ausführung kann gegenständlich insbesondere vorgesehen sein, dass das Berstelement in Form eines Berströhrchens oder einer Berstscheibe gebildet ist, wobei das Berstelement vorzugsweise aus Glas oder aus Kunststoff ausgebildet ist. Der Begriff „Berstelement“ kann im Rahmen der Erfindung insbesondere breiter verstanden werden, sodass unter dem Begriff auch verwandte Bauteile, wie Schmelzsicherungen oder dergleichen verstanden werden können.
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Im Hinblick auf eine konstruktiv einfache, kostengünstige und gleichzeitig zuverlässig auslösende thermische Druckentlastungsvorrichtung kann ferner vorgesehen sein, dass der elektrische Leiter über eine Verbindung zu dem Widerstandsheizelement mit der thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung verbunden ist, wobei die Verbindung vorzugsweise in Form einer lösbaren Verbindung, insbesondere in Form einer kraft- oder formschlüssigen Verbindung ausgeführt ist. Alternativ zu einer lösbaren kraft- oder formschlüssigen Verbindung kann zudem auch eine unlösbare stoffschlüssige Verbindung vorgesehen sein.
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Im Hinblick auf eine möglichst sichere und zuverlässige Auslösung der erfindungsgemäßen Auslöseeinheit auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes kann gegenständlich vorteilhafterweise ferner vorgesehen sein, dass das Widerstandsheizelement unmittelbar mit dem Berstelement verbunden ist, vorzugsweise zumindest teilweise um das Berstelement herum angeordnet ist. Hinsichtlich der Vergrößerung einer Kontaktfläche zwischen dem Berstelement und dem Widerstandsheizelement kann hierbei insbesondere vorgesehen sein, dass das Widerstandsheizelement in Form eines Drahtes gebildet ist und vorzugsweise um das, beispielsweise in Form eines Berströhrchens gebildete, Berstelement gewickelt ist.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ferner ein System zur gezielten Auslösung einer thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung. Hierbei umfasst das gegenständliche System ein Kraftfahrzeug, einen Kraftstofftank zur Versorgung des Kraftfahrzeugs mit Kraftstoff sowie eine voranstehend beschriebene Auslöseeinheit. Das gegenständliche System zeichnet sich hierbei dadurch aus, dass die elektrische Kontaktierungsstelle der Auslöseeinheit innerhalb des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Damit bringt das erfindungsgemäße System zur gezielten Auslösung einer thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf die erfindungsgemäße Auslöseeinheit beschrieben worden sind. Im Hinblick auf eine schnelle und sichere Auslösung kann die elektrische Kontaktierungsstelle hierbei vorteilhafterweise an einer leicht zugänglichen Position eines Kraftfahrzeugs angeordnet sein.
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Im Hinblick auf eine einfache, insbesondere eine schnelle und mühelose Auffindung der elektrischen Kontaktierungsstelle auch in Notfallsituationen kann erfindungsgemäß vorteilhafterweise ferner vorgesehen sein, dass die elektrische Kontaktierungsstelle im Cockpitbereich des Kraftfahrzeugs, insbesondere in der Mittelkonsole des Kraftfahrzeugs oder in der Motorhaube oder im Kofferraum des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Ebenso kann die elektrische Kontaktierungsstelle auch im Handschuhfach, im Sicherungskasten oder im Fahrzeughimmel oder dergleichen angeordnet sein.
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Im Rahmen eines sinnvollen Einsatzes einer erfindungsgemäßen Auslöseeinheit bzw. eines erfindungsgemäßen Systems kann gegenständlich insbesondere vorgesehen sein, dass der Kraftstofftank in Form eines Wasserstofftanks oder eines Erdgastanks gebildet ist. Ebenso kann der Kraftstofftank auch zur Aufnahme anderer Kraftstoffe, wie Benzin, Kerosin oder LPG oder dergleichen ausgebildet sein.
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Im Rahmen eines flexibel befüllbaren Systems zur gezielten Auslösung einer thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung kann gegenständlich ferner vorgesehen sein, dass mehr als ein Kraftstofftank vorgesehen ist, vorzugsweise zumindest drei separate Kraftstofftanks vorgesehen sind, wobei insbesondere jeder Kraftstofftank eine eigene thermisch gesteuerte Druckentlastungsvorrichtung aufweist. Eine Ausführung eines Systems mit mehreren separaten Kraftstofftanks und jeweils separaten thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtungen gewährleistet hierbei insbesondere eine möglichst sichere und zuverlässige Auslösung für jeden innerhalb des Systems vorgesehenen Kraftstofftank. Im Rahmen einer kostengünstigen Ausführung kann alternativ auch nur eine thermisch gesteuerte Druckentlastungsvorrichtung für mehrere Kraftstofftanks vorgesehen sein, die dann vorzugsweise zentral zwischen der Mehrzahl an Kraftstofftanks angeordnet ist, sodass bei Bedarf alle Tanks über die zentral angeordnete thermisch gesteuerte Druckentlastungsvorrichtung entleert werden können. Auch bei einer Anordnung mehrerer separater Kraftstofftanks ist jedoch vorzugsweise nur eine elektrische Kontaktstelle vorgesehen. Im Rahmen einer Anordnung einer Mehrzahl thermisch gesteuerter Druckentlastungsvorrichtungen können die Druckentlastungsvorrichtungen, insbesondere die Widerstandsheizelemente der Druckentlastungsvorrichtungen vorteilhafterweise seriell oder parallel miteinander verschaltet sein.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur gezielten Auslösung einer thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung, insbesondere unter Verwendung einer voranstehend beschriebenen Auslöseeinheit bzw. einem voranstehend beschriebenen System. Hierbei umfasst das gegenständliche Verfahren die Schritte eines Anlegens einer externen Spannung an eine innerhalb eines Kraftfahrzeugs angeordnete elektrische Kontaktierungsstelle mittels einer externen Spannungsquelle, eines Führens eines elektrischen Heizstroms von der elektrischen Kontaktierungsstelle zu einer oder mehreren thermische gesteuerten Druckentlastungsvorrichtungen über zumindest einen elektrischen Leiter, eines Auslösens zumindest einer thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung infolge der Führung des Heizstroms sowie eines kontrollierten Führens von Kraftstoff aus dem Kraftstofftank über zumindest eine thermisch gesteuerte Druckentlastungsvorrichtung. Damit bringt das erfindungsgemäße Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf die gegenständliche Auslöseeinheit und das erfindungsgemäße System beschrieben worden sind.
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Um die Zuverlässigkeit und Sicherheit des gegenständlichen Verfahrens zu erhöhen, kann erfindungsgemäß vorteilhafterweise ebenfalls vorgesehen sein, dass vor, während oder nach einer Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geprüft wird, ob der elektrische Leiter und/oder bei einer Verwendung einer voranstehend beschriebenen Auslöseeinheit das Widerstandsheizelement beschädigt ist. Eine besonders einfache Prüfung kann hierbei über die Messung des Widerstandes des elektrischen Leiters erfolgen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zur gezielten Auslösung einer thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht,
- 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Druckentlastungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 3 eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur gezielten Auslösung einer thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems 1 zur gezielten Auslösung einer thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung 4 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht.
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Das erfindungsgemäße System 1 gemäß 1 umfasst hierbei ein in Form eines Brennstoffzellenfahrzeugs ausgebildetes Kraftfahrzeug 6 mit einem Kraftstofftank 10 zur Versorgung des Kraftfahrzeugs 6 mit in Form von Wasserstoff gebildetem Kraftstoff sowie eine Auslöseeinheit 2 zur gezielten Auslösung einer thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung 4. Die Auslöseeinheit 2 umfasst hierbei eine elektrische Kontaktierungsstelle 8 zum Anlegen einer elektrischen Spannung, eine thermisch gesteuerte Druckentlastungsvorrichtung 4 zur Druckentlastung des druckbelasteten Kraftstofftanks 10 sowie einen zwischen der elektrischen Kontaktierungsstelle 8 und der thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung 4 angeordneten elektrischen Leiter 12 zum Führen eines Heizstroms zwischen der elektrischen Kontaktierungsstelle 8 und der thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung 4. Die thermisch gesteuerte Druckentlastungsvorrichtung 4 weist hierbei erfindungsgemäß (wie explizit erst in 2 erkennbar) ein Berstelement 14 und ein Widerstandsheizelement 12' auf, wobei das Widerstandsheizelement 12' in Form eines PTC-Heizelementes gebildet ist.
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Die elektrische Kontaktierungsstelle 8 ist vorliegend im Cockpitbereich des Kraftfahrzeugs 6, insbesondere in der Mittelkonsole des Kraftfahrzeugs 6 angeordnet und somit auch nach einem Unfall des Kraftfahrzeugs 6 in der Regel leicht zugänglich. Ebenso kann die Kontaktierungsstelle 8 in der Motorhaube oder im Kofferraum des Kraftfahrzeugs 6 oder auch im Handschuhfach, im Sicherungskasten oder im Fahrzeughimmel oder dergleichen angeordnet sein.
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Der gegenständliche Kraftstofftank 10 ist vorliegend in Form eines Wasserstofftanks gebildet, der die Anode 18 der Brennstoffzelle 17 über die Wasserstoffzuführleitung 20' mit Wasserstoff versorgt. Die neben der Anode 18 angeordnete Kathode 16 der Brennstoffzelle 17 wird über die Luftzuführleitung 20 mittels der Zuführeinheit 22 mit sauerstoffhaltiger Luft versorgt. Die in der Brennstoffzelle 17 gewonnene elektrische Energie wird der elektrischen Steuereinheit 24 zugeführt und von dieser über die elektrische Leitung 26 der Antriebseinheit 28 des Kraftfahrzeugs 6 zugeführt.
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Neben einer Anordnung lediglich eines Kraftstofftanks 10 können ebenso mehr als ein Kraftstofftank 10, bspw. drei separate Kraftstofftanks 10 innerhalb des Kraftfahrzeugs 6 angeordnet sein, die vorzugsweise jeder eine eigene thermisch gesteuerte Druckentlastungsvorrichtung 4 aufweisen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Druckentlastungsvorrichtung 4 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Die thermisch gesteuerte Druckentlastungsvorrichtung 4 weist hierbei vorliegend ein in Form eines Glasröhrchens gebildetes Berstelement 14 auf, das an der einen Seite mit dem Kraftstofftank 10 und an der anderen Seite mit der Zuführleitung 20' für Wasserstoff zur Anode verbunden ist. Um das Berstelement 14 ist zudem das in Form eines PTC-Heizelementes gebildete Widerstandsheizelement 12' gewickelt, das vorliegend unmittelbar mit dem elektrischen Leiter 12 verbunden ist, sodass im Falle eines Anlegens einer elektrischen Spannung an die Kontaktierungsstelle 8, die über den Stromfluss durch den Leiter 12 entstehende Wärme an das Berstelement 14 weitergeben kann, bis dieses birst. Nach einem Bersten des Berstelementes 14 kann der innerhalb des Kraftstofftanks angeordnete Wasserstoff über die Ausnehmungen 19 ins Freie entweichen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur gezielten Auslösung einer thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung 4, insbesondere unter Verwendung einer Auslöseeinheit 2 bzw. einem System 1.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist hierbei die Schritte eines Anlegens 30 einer externen Spannung an eine innerhalb eines Kraftfahrzeugs 6 angeordnete elektrische Kontaktierungsstelle 8 mittels einer externen Spannungsquelle, eines Führens 32 eines elektrischen Heizstroms von der elektrischen Kontaktierungsstelle 8 zu einer oder mehreren thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtungen 4 über zumindest einen elektrischen Leiter 12, eines Auslösens 34 zumindest einer thermisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung 4 infolge der Führung 32 des Heizstroms sowie eines kontrollierten Führens 36 von Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 10 über zumindest eine thermisch gesteuerte Druckentlastungsvorrichtung 4 auf.
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Im Hinblick auf die Gewährleistung einer hohen Zuverlässigkeit sowie einer großen Sicherheit kann hierbei ferner vorgesehen sein, dass vor, während oder nach einer Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geprüft wird ob der elektrische Leiter 12 und/oder bei einer Verwendung einer Auslöseeinheit 2 das Widerstandsheizelement 12' noch vollständig intakt oder beschädigt ist.
