DE102021130741A1 - Kühlvorrichtung für ein Zweirad - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung eines einspurigen Zweirads mit einem elektrischen Antrieb, insbesondere eines Motorrads, wobei die Kühlvorrichtung (10) einen fluidischen Kühlkreislauf (16) hat, der dazu ausgebildet ist, eine Komponente (18) des elektrischen Antriebs (14) zu kühlen und einen an der Komponente (18) vorgesehenen, ersten Wärmeübertrager (20), einen zweiten Wärmeübertrager (22) sowie eine Pumpe (24) für Kühlmittel aufweist, die das Kühlmittel durch den ersten und den zweiten Wärmeübertrager (20, 22) pumpt, wobei die beiden Wärmeübertrager (20, 22) und die Pumpe (24) durch Kühlmittelleitungen (26) strömungsverbunden sind, wobei die Kühlvorrichtung (10) ferner eine vom Zweirad (12) getrennte Kühlquelle (28) hat und der erste Wärmeübertrager (20) an die vom Zweirad (12) getrennte Kühlquelle (28) thermisch ankoppelbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung eines einspurigen Zweirads mit einem elektrischen Antrieb, insbesondere eines Motorrads, wobei die Kühlvorrichtung einen fluidischen Kühlkreislauf hat, der dazu ausgebildet ist, eine Komponente des elektrischen Antriebs zu kühlen.
  • Für elektrisch angetriebene Zweiräder, insbesondere Motorräder, werden elektrische Energiespeicher auf elektrochemischer Basis verwendet, die sich beim Be- und Entladen aufheizen. Üblicherweise werden die Energiespeicher dabei ausschließlich durch die Umgebungsluft gekühlt. Der Nachteil einer solchen Kühlung liegt darin, dass sie nur eine geringe Leistungsdichte beim Aufladen zulässt, vor allem bei erhöhten Umgebungstemperaturen. Wird mit großer Leistung geladen, erhitzt sich der Energiespeicher aufgrund der Verlustwiderstände zu sehr, was sich negativ auf seine Lebensdauer und die Funktionssicherheit auswirkt.
  • Da bei Zweirädern, insbesondere Motorrädern, sehr strenge Anforderungen an Bauraum und Gewicht gestellt werden, kann keine zusätzliche Kühlvorrichtung in das Zweirad integriert werden.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung eine Kühlvorrichtung eines einspurigen Zweirads mit einem elektrischen Antrieb, insbesondere eines Motorrads, bereitzustellen, das eine verbesserte Kühlung aufweist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlvorrichtung eines einspurigen Zweirads mit einem elektrischen Antrieb, insbesondere eines Motorrads, wobei die Kühlvorrichtung einen fluidischen Kühlkreislauf hat, der dazu ausgebildet ist, eine Komponente des elektrischen Antriebs zu kühlen und einen an der Komponente vorgesehenen, ersten Wärmeübertrager, einen zweiten Wärmeübertrager sowie eine Pumpe für Kühlmittel aufweist, die das Kühlmittel durch den ersten und den zweiten Wärmeübertrager pumpt, wobei die beiden Wärmeübertrager und die Pumpe durch Kühlmittelleitungen strömungsverbunden sind, wobei die Kühlvorrichtung ferner eine vom Zweirad getrennte Kühlquelle hat und der erste Wärmeübertrager an die vom Zweirad getrennte Kühlquelle thermisch ankoppelbar ist, um Wärme im zweiten Wärmeübertrager vom Kühlkreislauf abzuführen, und wobei ein Koppelelement vorgesehen ist, mittels dem der erste Wärmeübertrager von der Kühlquelle thermisch und physisch abkoppelbar und an sie ankoppelbar ist.
  • Es wurde erkannt, dass mit einer externen Kühlvorrichtung, die thermisch und physisch an das Zweirad an- und abkoppelbar ist, eine verbesserte Kühlung der Komponenten des elektrischen Antriebs erzielt werden kann, ohne den Bauraum und das Gewicht des Zweirades zu erhöhen. Dadurch kann z.B. ein Energiespeicher mit höherer Leistungsdichte geladen werden.
  • In einer Ausführungsvariante der Erfindung bildet das Koppelelement eine wahlweise strömungsmäßige Verbindung oder Entkoppelung der Kühlmittelleitungen des Kühlkreislaufs und verbindet oder trennt den ersten und den zweiten Wärmeübertrager wahlweise miteinander. Auf diese Weise wird ein simpler Aufbau erzielt, mit dem das Zweirad einfach an die Kühlvorrichtung an- und abgekoppelt werden kann und das Kühlmedium, z.B. Wasser, von der Kühlquelle in den Kühlkreislauf gefördert wird, wodurch eine besonders gute Kühlwirkung erzielt wird. Des Weiteren kann bei einer derartigen Gestaltung des Koppelelements die Pumpe zur Förderung des Kühlmittels kühlquellenseitig angeordnet sein, sodass zusätzliches Gewicht im Zweirad vermieden wird.
  • Vorzugsweise ist das Koppelelement eine Fluid-Steckverbindung oder eine Bajonettverbindung, die die Kühlmittelleitungen strömungsmäßig miteinander verbindet. Dadurch kann das An- und Abkoppeln der Kühlvorrichtung an das Zweirad besonders einfach und schnell ablaufen. Ventile sorgen dafür, dass beim Abstecken kein Kühlmittel austritt.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Leitungen, die zum Koppelelement führen, beidseitig flexibel gestaltet sind, sodass eine einfache Handhabung gewährleistet ist, ähnlich wie beim Tanken von Flüssigkraftstoff.
  • Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der Kühlkreislauf komplett zweiradseitig positioniert ist und die Kühlquelle stationär ist. Somit kann ein bekannter Kühlkreislauf verwendet werden, der standardmäßig in elektrisch angetrieben Zweiräder verbaut ist. Statt der Umgebungsluft kann dieser durch die externe Kühlquelle gekühlt werden, sodass wesentlich niedrigere Temperaturen und eine bessere Kühlwirkung erreicht werden. Die stationäre Kühlquelle kann dabei z.B. in einer Ladesäule angeordnet sein. Sobald Strom fließt, wird z.B. der Kühlmittelstrom gefördert und die Kühlquelle aktiviert.
  • In einer Ausführungsvariante der Erfindung umfasst das Koppelelement den zweiten Wärmeübertrager und einen dritten, mit der Kühlquelle gekoppelten Wärmeübertrager, die physisch miteinander koppelbar sind, um Wärme zu übertragen, oder voneinander entkoppelbar sind, um einen Wärmefluss zu verhindern. Auf diese Weise wird ein einfacher Aufbau erzielt, wobei nur Wärme übertragen wird und kein Medium ausgetauscht wird. Dadurch kann das Koppelelement besonders einfach gestaltet werden, da z.B. keine aufwendigen Dichtstellen mit Dichtungen gestaltet werden müssen.
  • Vorzugsweise weisen der zweite und der dritte Wärmeübertrager dabei Wärmeübertragerplatten auf, die miteinander in Kontakt bringbar sind, sodass Wärme darüber übertragen wird. Dadurch wird ein besonders einfacher Aufbau erzielt, mit dem der An- und Abkoppelvorgang bequem ausgeführt werden kann.
  • Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass ein stationärer Zwischenkreislauf zwischen Kühlquelle und Kühlmittelkreislauf vorgesehen ist und der Zwischenkreislauf den dritten Wärmeübertrager umfasst. Auf diese Weise wird ein besonders flexibler Aufbau realisiert. Es kann z.B. eine singuläre Kühlquelle bereitgestellt werden, die mit mehreren Zwischenkreisläufen verbunden ist, welche wiederum jeweils von einem Zweirad nutzbar sind.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das Koppelelement einen stationären und einen zweiradseitigen Abschnitt hat und der stationäre Abschnitt am Ende von flexiblen Kühlmittelleitungen vorgesehen und beliebig innerhalb des von den Kühlmittelleitungen definierten Raums beweglich ist, um an den zweiradseitigen Abschnitt angekoppelt werden zu können. Dadurch wird eine besonders einfache Handhabung realisiert, wie bei einem Tankstutzen mit flexibler Leitung. Es ist denkbar, dass so der zweiradseitige Abschnitt z.B. fest an der Karosse des Zweirads angebracht ist und der stationäre Abschnitt des Koppelelements mittels der flexiblen Kühlmittelleitungen an den zweiradseitigen Abschnitt herangeführt und angekoppelt werden kann. Dadurch steigt der Bedienkomfort für einen Benutzer. Das Zweirad kann beliebig zum stationären Koppelelement geparkt sein, dieses wird dann einfach herangeführt und angekoppelt.
  • Vorzugsweise sind die flexiblen Kühlmittelleitungen im stationären Abschnitt als Schläuche ausgebildet.
  • Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der Zwischenkreislauf flexible Kühlmittelleitungen aufweist. Somit wird ebenfalls eine einfache Handhabung und auch eine einfache Montage erzielt, da die flexiblen Leitungen einfach ausgelegt werden können. In dem Zwischenkreislauf kann dann einfaches Kühlmittel fließen.
  • In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist die Kühlquelle ein vorzugsweise stationärer Kältemittelkreislauf, dessen Verdampfer mit dem zweiten Wärmeübertrager thermisch gekoppelt oder koppelbar ist. Auf diese Weise kann die Kühlquelle einfach gestaltet werden. Hierbei ist ebenfalls eine An- und Entkoppelung mittels Wärmeübertragerplatten möglich.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der Verdampfer mit dem zweiten Wärmeübertrager gekoppelt oder unter Bildung des Koppelelements koppelbar ist oder dass der Verdampfer an den Zwischenkreislauf extern des Zwischenkreislaufs angeordnet ist und mit diesem thermisch gekoppelt ist. Dadurch wird ein flexibler Aufbau realisiert.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Kühlquelle ein Hauswasserkreislauf ist. Auf diese Weise wird ein sehr einfacher und kostengünstiger Aufbau erzielt, da keine zusätzliche Kühlquelle hergestellt werden muss.
  • Vorzugsweise wird im Kühlkreislauf und im Zwischenkreislauf ein anderes Medium verwendet als in der Kühlquelle. Ist die Kühlquelle an sich ein Kältemittelkreislauf, kann dafür ein Kältemittel, z.B. R134a, verwendet werden, um ein besonders niedriges Temperaturniveau zu erreichen. Im Zwischenkreislauf und im Kühlkreislauf kann z.B. Wasser oder ein Dielektrikum als Kühlmedium verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass für Wasser oder ein Dielektrikum flexible Leitungen verwendet werden können, während bei Kältemittel aufgrund des Phasenübergangs und des höheren Drucks zumindest abschnittsweise starre Leitungen benötigt werden. Darüber hinaus ist ein Dielektrikum besonders zum Kühlen eines elektrischen Antriebs geeignet, da es elektrisch schwach- oder nichtleitend ist und somit die Funktionssicherheit des elektrischen Antriebs erhöht wird.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
    • - 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung,
    • - 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung,
    • - 3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit Zwischenkreislauf, und
    • - 4 eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit einem Hauswasserkreislauf.
  • 1 zeigt eine Kühlvorrichtung 10 eines einspurigen Zweirads 12, z.B. eines Motorrads, mit einem elektrischen Antrieb 14.
  • Die Kühlvorrichtung 10 umfasst einen Kühlkreislauf 16, der dazu ausgebildet ist, eine Komponente 18 des elektrischen Antriebs 14 zu kühlen. Die Komponente 18 kann dabei z.B. ein elektrischer Energiespeicher sein.
  • Der Kühlkreislauf 16 umfasst einen ersten Wärmeübertrager 20, welcher der Komponente 18 zugeordnet ist, um diese zu kühlen, einen zweiten Wärmeübertrager 22 und eine Pumpe 24, die Kühlmittel durch die Kühlmittelleitungen 26 des Kühlkreislaufes 16 fördert.
  • Die Pumpe 24 ist dabei extern des Zweirads angeordnet.
  • Der erste Wärmeübertrager 20, der zweite Wärmeübertrager 22 und die Pumpe 24 sind mittels der Kühlmittelleitungen 26 strömungsverbunden.
  • Der zweite Wärmeübertrager 22 ist thermisch mit einer stationären Kühlquelle 28, genauer gesagt mit einem Verdampfer 30 der Kühlquelle 28 verbunden, sodass diese Wärme vom Wärmeübertrager 22 an den Verdampfer 30 abgeführt werden kann und somit den Kühlkreislauf 16 kühlt.
  • Die vom Zweirad 12 getrennte Kühlquelle 28 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als ein Kältemittelkreislauf ausgebildet und umfasst ferner einen Verdichter 32, ein Expansionsorgan 34 und ein Rückkühlungselement 36. Das Rückkühlungselement 36 kann z.B. ein Luftkühler sein. Die Funktion eines Kältemittelkreislaufes ist bekannt, sodass hierauf nicht näher eingegangen wird
  • Um das Zweirad 12 an die Kühlquelle 28 an- bzw. von der Kühlquelle 28 abzukoppeln, weist die Kühlvorrichtung 10 an den Kühlmittelleitungen 26 des Kühlkreislaufes 16 ein Koppelelement 38 auf (die gestrichelte Linie in 1 verdeutlicht die Grenze zwischen Zweiradseite und stationärer Kühlvorrichtungsseite).
  • Mittels des Koppelelements 38 kann der erste Wärmeübertrager 20 thermisch an die vom Zweirad 12 getrennte Kühlquelle 28 gekoppelt werden, um Wärme im zweiten Wärmeübertrager 22 vom Kühlkreislauf 16 abzuführen, sodass die Komponente 18 gekühlt wird.
  • Dabei weist das Koppelelement 38 einen stationären und einen zweiradseitigen Abschnitt auf.
  • Das Koppelelement 38 kann dabei als eine Fluid-Steckverbindung oder als eine Bajonettverbindung ausgebildet sein.
  • Vorzugsweise sind die Kühlmittelleitungen 26, die zum Koppelelement 38 führen, im stationären Abschnitt (also z.B. in 1 rechts vom Koppelelement 38) flexibel, z.B. als Schläuche, ausgebildet, um eine einfache Handhabung zu gewährleisten. Dabei ist das Koppelelement 38 beliebig innerhalb des von den Kühlmittelleitungen 26 definierten Raums beweglich.
  • Im einphasigen Kühlkreislauf 16 wird z.B. Wasser oder ein Dielektrikum als Kühlmedium verwendet.
  • Im Kältemittelkreislauf der Kühlquelle 28 kann z.B. ein Kältemittel wie R134a verwendet werden, um auf ein besonders niedriges Temperaturniveau zu gelangen.
  • Durch diesen Aufbau sind im Zweirad 12 nur der erste Wärmeübertrager 20 und ein Teil der Kühlmittelleitungen 26 vorgesehen. Der Rest der Kühlvorrichtung 10 ist extern des Zweirads 12 untergebracht, z.B. in einer Ladesäule, und kann über das Koppelelement 38 mit dem Zweirad 12 verbunden werden. Am Koppelelement 38 kann gegebenenfalls auch der elektrische Ladeanschluss vorgesehen sein.
  • In 2 ist eine zweite Ausführungsform der Kühlvorrichtung 10 gezeigt. Das Grundprinzip der zweiten Ausführungsform der Kühlvorrichtung 10 entspricht im Wesentlichen der der ersten Ausführungsform, sodass im Folgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird. Gleiche und funktionsgleiche Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • In der Ausführungsvariante gemäß 2 ist der Kühlkreislauf 16 komplett zweiradseitig positioniert. Die Pumpe 24 ist hier im Zweirad untergebracht. Die unterbrochene Linie symbolisiert auch hier wieder die Grenze zwischen Zweirad und stationärer Kühlseite.
  • Das Koppelelement 38 weist hier den zweiten Wärmeübertrager 22 und einen dritten Wärmeübertrager 40 auf, der als der Verdampfer 30 des Kältemittelkreislaufs ausgebildet ist.
  • Der zweite und der dritte Wärmeübertrager 22, 40 sind miteinander koppelbar, um Wärme zu übertragen, oder sind voneinander entkoppelbar.
  • Dabei können der zweite und der dritte Wärmeübertrager 22, 40 Wärmeübertragerplatten aufweisen, die miteinander in Kontakt bringbar sind.
  • Es ist denkbar, dass die Kühlmittelleitungen 26, die zum Koppelelement 38 führen, hier aber zweiradseitig angeordnet sind, flexibel gestaltet sind, um einen einfachen Koppelvorgang zu realisieren.
  • In 3 ist eine dritte Ausführungsform der Kühlvorrichtung 10 gezeigt. Das Grundprinzip der dritten Ausführungsform der Kühlvorrichtung 10 entspricht im Wesentlichen der der zweiten Ausführungsform, sodass im Folgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird. Gleiche und funktionsgleiche Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • In der Ausführungsvariante gemäß 3 ist ein Zwischenkreislauf 42 zwischen Kühlkreislauf 16 und Kühlquelle 28 vorgesehen.
  • Der Zwischenkreislauf 42 umfasst dabei den dritten Wärmeübertrager 40.
  • Ferner umfasst der Zwischenkreislauf 42 eine Förderpumpe 44, die das Kühlmittel im Zwischenkreislauf 42 fördert, und einen vierten Wärmeübertrager 46, der thermisch mit der Kühlquelle 28, genauer gesagt mit dem Verdampfer 30, gekoppelt ist.
  • Die Förderpumpe 44, der dritte Wärmeübertrager 40 und der vierte Wärmeübertrager 46 sind mittels Leitungen 48 strömungsverbunden.
  • Im Zwischenkreislauf 42 wird ein anderes Medium verwendet als in der Kühlquelle 28.
  • Vorzugsweise wird im Zwischenkreislauf 42 Wasser oder ein Dielektrikum als Kühlmedium verwendet, sodass die Leitungen 48 auch flexibel gestaltet werden können.
  • Es ist denkbar, dass an eine singuläre Kühlquelle 28 mehrere Zwischenkreisläufe 42 gekoppelt werden, sodass mehrere Zweiräder 12 gleichzeitig gekühlt werden können. Damit wäre z.B. eine einzige Kühlquelle 28 für mehrere Ladesäulen verwendbar.
  • In 4 ist eine vierte Ausführungsform der Kühlvorrichtung 10 gezeigt. Das Grundprinzip der vierten Ausführungsform der Kühlvorrichtung 10 entspricht im Wesentlichen dem der dritten Ausführungsform, sodass im Folgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird. Gleiche und funktionsgleiche Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • In der Ausführungsform gemäß 4 ist die Kühlquelle 28 als ein Hauswasserkreislauf ausgebildet. Der Hauswasserkreislauf ist thermisch mit dem vierten Wärmeübertrager 46 gekoppelt.
  • Es ist auch denkbar, dass verschiedene Merkmale der Ausführungsvarianten miteinander kombiniert werden.

Claims (11)

  1. Kühlvorrichtung eines einspurigen Zweirads mit einem elektrischen Antrieb (14), insbesondere eines Motorrads, wobei die Kühlvorrichtung (10) einen fluidischen Kühlkreislauf (16) hat, der dazu ausgebildet ist, eine Komponente (18) des elektrischen Antriebs (14) zu kühlen, und einen an der Komponente (18) vorgesehenen, ersten Wärmeübertrager (20), einen zweiten Wärmeübertrager (22) sowie eine Pumpe (24) für Kühlmittel aufweist, die das Kühlmittel durch den ersten und den zweiten Wärmeübertrager (20, 22) pumpt, wobei die beiden Wärmeübertrager (20, 22) und die Pumpe (24) durch Kühlmittelleitungen (26) strömungsverbunden sind, wobei die Kühlvorrichtung (10) ferner eine vom Zweirad (12) getrennte Kühlquelle (28) hat und der erste Wärmeübertrager (20) an die vom Zweirad (12) getrennte Kühlquelle (28) thermisch ankoppelbar ist, um Wärme im zweiten Wärmeübertrager (22) vom Kühlkreislauf (16) abzuführen, und wobei mindestens ein Koppelelement (38) vorgesehen ist, mittels dem der erste Wärmeübertrager (20) von der Kühlquelle (28) thermisch und physisch abkoppelbar und an sie ankoppelbar ist.
  2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (38) eine wahlweise strömungsmäßige Verbindung oder Entkoppelung der Kühlmittelleitungen (26) des Kühlkreislaufs (16) bildet und den ersten und den zweiten Wärmeübertrager (20, 22) wahlweise miteinander verbindet oder trennt.
  3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (38) eine Fluid-Steckverbindung oder eine Bajonettverbindung ist, die die Kühlmittelleitungen (26) strömungsmäßig miteinander verbindet.
  4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (16) komplett zweiradseitig positioniert ist und die Kühlquelle (28) stationär ist.
  5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (38) den zweiten Wärmeübertrager (22) und einen dritten, mit der Kühlquelle (28) gekoppelten Wärmeübertrager (40) umfasst, die physisch miteinander koppelbar sind, um Wärme zu übertragen, oder voneinander entkoppelbar sind.
  6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein stationärer Zwischenkreislauf (42) zwischen Kühlquelle (28) und Kühlmittelkreislauf (16) vorgesehen ist und der Zwischenkreislauf (42) den dritten Wärmeübertrager (40) umfasst.
  7. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (38) einen stationären und einen zweiradseitigen Abschnitt hat und der stationäre Abschnitt am Ende von flexiblen Kühlmittelleitungen (26, 48) vorgesehen und beliebig innerhalb des von den Kühlmittelleitungen (26, 48) definierten Raums beweglich ist, um an den zweiradseitigen Abschnitt angekoppelt werden zu können.
  8. Kühlvorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreislauf (42) flexible Kühlmittelleitungen (48) aufweist.
  9. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlquelle (28) ein vorzugsweise stationärer Kältemittelkreislauf ist, dessen Verdampfer (30) mit dem zweiten Wärmeübertrager (22) thermisch gekoppelt oder koppelbar ist.
  10. Kühlvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (30) mit dem zweiten Wärmeübertrager (22) gekoppelt oder unter Bildung des Koppelelements (38) koppelbar ist oder dass der Verdampfer (30) an den Zwischenkreislauf (42) extern des Zwischenkreislaufs (42) angeordnet ist und mit diesem thermisch gekoppelt ist.
  11. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlquelle (28) ein Hauswasserkreislauf ist.
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