DE2105236A1

DE2105236A1 - Doppeltwirkender hydraulischer Servomotor

Info

Publication number: DE2105236A1
Application number: DE19712105236
Authority: DE
Inventors: Die Anmelder Sind
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-02-05
Filing date: 1971-02-04
Publication date: 1971-08-19
Also published as: CA934345A; GB1346452A; FR2080961A3; NL7001609A; FR2080961B3; US3777621A

Description

Dipl.-Ing. W. PAAP 8 MÖNCHEN 22,

Dipl.-Ing. H. MlTSCHERLICH _τι. ...... ... ,_A .,

ΙβΙβίΟΠ: (UoIIJ Zr OO o4

Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN

Dr. rer. not. W. KÖRBER J; Februar 1971

PATENTANWÄLTE

Petrus Blök Taco Jan Viersma
Mo erkapelle/Holland Pi ,jnacker/Holland
Coymanstraat 7 Julianalaan 26

Patentanmeldung Doppeltwirkender hydraulischer Servomotor

Die Erfindung betrifft einen druckmittelbetätigten doppeltwirkenden Servomotor mit einem Zylinder und einem Kolbensystem mit Kolbenstangen, welches Kolbensystem und welcher Zylinder eine Relativbewegung zueinander ausführen können und welcher Zylinder zwei Arbeit sräume enthält, die am einen Ende durch eine bewegliche Kolbenfläche und am anderen Ende durch eine ortsfest mit dem Zylinder verbundene Endwandung, die eine Durchführungsöffnung für eine Kolbenstange aufweist, begrenzt sind, welche beiden Räume jeweils über eine Leitung mit einer Ventil- oder Schiebervorrichtung verbunden sind,die die Zufuhr von Druckmedium zu den beiden Arbeitsräumen steuern kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Servomotor dieser Art zu schaffen, der mit einer sehr geringen Reibung arbeitet.

Demgemäß schlägt die Erfindung vor, daß die Spalte, die sich längs der zueinander beweglichen Teile von dem einen Arbeitsraum zu dem anderen Arbeitsraum erstreckt, in zwei hintereinander liegende Teilspalten unterteilt ist, die durch eine umlaufende Nut getrennt sind, welche Teilspalten am einen Ende eine größere Weite besitzen als am anderen Ende, wobei die Enden der gesamten Spalte die gleiche Weite besitzen, daß die umlaufende Nut mit einem Raum verbunden ist, in dem betriebsmäßig ein derartiger Druck herrscht, daß der Druck an den engen Enden der Teilspalten immer niedriger ist als der Druck an den weiten Enden dieser Spalten und daß die Spalten, die sich längs der zueinander beweglichen Teile von den Arbeitsräumen zu der Umgebung erstrecken, eine von innen nach außen abnehmende Weite aufweisen.

Bei einem derartigen Servomotor ist es möglich, eine völlig hydrostatische Lagerung

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ORIGINAL INSKCTEQ

des Kolbensystems gegenüber diesen Zylinder zu erzielen. Bei allen zwischen den beweglichen Teilen untereinander gebildeten Spalten nimmt die Weite der Spalte in Richtung der IJiederdruckseite ab. Der Druck des Druckmediums übt hierdurch auf die bewegten Teile eine zentrierende Wirkung zueinander aus, so dass diese Teile einander nicht mehr zu berühren brauchen. Die sogenannte Trocken- oder Koulombreitung v/ird hierdurch vollständig beseitigt, so dass -sogar sehr langsame Bewegungen des Servomotors vollkommen gleichförmig verlaufen können. Dies ist von besonderer Wichtigkeit, wenn derartige Servomotoren zum Antreiben eines Simulators angewandt werden. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass keine Abnutzung der beweglichen Teile mehr auftreten wird.

In einer besonders zweckmäc fügen erfindungsgemässen Ausführung ist das Kolbensystem durch zwei im Abstand voneinander liegende Kolben gebildet, die durch eine Kolbenstange verbunden sind, die eine die Arbeitsräume trennende, einen Teil der Zylinderwandung bildende Zwischenwand durchsetzt, wobei die Durchführung sÖffnung für die Kolbenstange an den Enden einen grösseren Durchmesser aufweist als in der Mitte und wobei am Ort des kleinsten Durchmessers eine ringförmige Nut vorgesehen ist, die mit einem Raum in Verbindung.steht, in dem betriebsmässig ein niedrigere Druck herscht als in den Arbeitsräunen und münden die Leitungen zum Zuführen von Druckmedium unmittelbar an beiden Seiten der Zwischenwand in die Arbeitsräume. Bei einer derartigen Ausführung eines Servomotors besteht der Vorteil dass auch wenn der Servomotor einen grossen Hub ausführen können muss, die leitungen zum Zuführen des Druckmediums doch sehr kurz sein können. Ferner besteht der Vorteil, dass die Abfuhr des Druckmittels zu dem Niederdruckraum über einen ortsfest nichtbeweglichen Teil erfolgen kann, wenn der Zylinder als ortsfester Teil angewandt wird.

Erfindungsgeinäss kann in beide Arbeitsräume eine zusätzliche

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Leitung zum Zuführen von Druckmedium münden, in welchen Leitungen eine Restriktion zum Durchlassen einer Menge Druckmedium angeordnet ist, die dei|über die Spalten austretenden Menge entspricht. Wenn die normale Zufuhr von Druckmedium in einer Ruhestellung des Kolbens gesperrt ist, wird über diese zusätzlichen Leitungen soviel Druckmedium zugeführt, dass d^r Druck in den Arbeitsräumen aufrechterhalten wird, so dass die hydrostatische Lagerung weiterhin funktioniert.

Der vorstehende beschriebene Ausgleich der Leckverluste kann auch dadurch erzielt weraen, dass erfindungsgemäss das Kolberisystem durch zwei im Abstand voneinander liegenden Kolben gebildet 1st, die durch eine Kolbenstange verbunden f sind, die eine die Arbeitsräume trennende, einen Teil der Zylinderwandung bildende Zwischenwand durchsetzt, wobei die Durchführungsöffnung für die Kolbenstange an den Enden einen kleineren Durchmesser aufweist als in der Mitte und wobei am Ort des grössten Durchmessers eine ringförmige Nut vorgesehen ist, die mit einem Raum in Verbindung steht, in dem betriebsmässig ein höherer Druck herscht als in den Arbeitsräumen, während die Leitungen zum Zuführen von Druckmedium unmittelbar an beiden Seiten der Zwischenwand in die Arbeitsräume münden. Bei einer derartigen Ausführung wird beim Absperren der Hauptzufuhr zu dem Arbeitsraum über die Spalten längs der Kolbenstange Druckmedium eintreten ä und es wird längs der Kolben das Druckmedium austreten.

Der Ausgleich des Leckverlnstes erfolgt hier somit ohne zusätzliche Hilfsmittel.

Erfindungsgemäss kö,nnen die Arbeitsräume durch einen Kolben getrennt sein, der an den Enden einen grösseren Durchmesser aufweist, als in der Mitte und bei dem am Ort des kleineren Durchmessers eine ringförmige Nut vorgesehen ist, die ~iit einem Raum.in Verbindung steht, in dem betriebsmässig ein höherer Druck herscht als in den Arbeitsräumen. Las längs

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des Kolbens eintretende Druckmedium kann über die Spalte längs der Kolbenstange wieder austreten. Auch bei einer derartigen Ausbildung des Servomotors ist ein automatischer Ausgleich der Leckverluste vorgesehen, ohne dass zusätzliche Hilfsmittel angewandt zu weraen brauchen-

Schliesslich kann erfindungsgemäss der Niederdruckraum in offener Verbindung mit der Umgebung stehen.

Die Erfindung wird in nachstehender Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung erläutert.

Es stellen dar:

Pig. 1 einen erfindungsgemässen Servomotor in Längsschnitt.

Fig. 2 einen der Fig. 1 entsprechenden Längsschnitt eines Servomotors in einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 3 eine Einzelheit in Fig. 2 in einer weiteren Ausführungs-

form, und

Fig. 4 eine Einzelheit in Fig. 1 in einer weiteren Ausführungsform.

Der in Fig. 1 dargestellte Servomotor besteht aus einem Zylinder 1 mit einem in demselben beweglichen Kolbensystem, bestehend aus einem Kolben 2 und Kolbenstangen 3 und 4. Die Kolbenstange 3 ist am Ende des Zylinders 1 über ein Verschlusstück 5₍ das einen Teil 6 zum Führen der Kolbenstange umfasst, nach aussen geführt, während der Teil 7 mit einer O-Ringabdichtung 8 und einem Schmutzabstreicher versehen ist. Die O-Ringabdichtung führt sehr wenig Reibung herbei, indem der abzudichtende Raum 11 drucklos ist. Der Teil 6 ist einigermassen konisch ausgebildet, so dass der

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Spalt 10 aa dem Kolben 2 zugewandten Ende weiter ist als am anderen Ende. Am engen Ende des Spaltes mündet dieser in eine ringförmige Nut 11, die über einen Kanal 12 sich an eine Leitung 13 anschliesst, die in einen Behälter 14 mündet.

^:In entsprechender Weise ist am anderen Ende des Zylinders ein Endstück 15 angeordnet, das mit Abdichtringen versehen ist und wobei der Teil, der für die Führung sorgt, einen Spalt 16 aufweist, dessen Weite in Richtung des von dem Kolben 2 entfernteren Endes abnimmt. Am schmalen Ende des' Spaltes 16 ist ebenfalls eine -ringförmige Wut 17 vorgesehen, die sich an eine Leitung 18 anschliesst, die eben- g falls in den Behälter 14 mündet. Der Kolben 2 ist zweiseitig konisch-ausgebildet, so dass die Weite des Spaltes 19 und 20 zwischen dem Kolben 2 und dem Zylinder 1 von den Enden an in Richtung der Mitte abnimmt. Die Spalten münden in der Mitte in eine ringförmige Nut 21 im Kolben, die über einen Kanal 22 und eine biegsame Leitung 23 mit dem Behälter 14 in Verbindung steht.

In die Arbeitsräume 24 und 25 des Zylinders 1 münden Kanäle 26 und 27. Die Kanäle 26 und 27 schliessen sich an ein Servoventil 28 an. Dem Ventil 28 wird über eine Leitung 29 Druckmedium zugeführt. Dieses Druckmedium;¹· wird dem Behälter 14 über eine Leitung 30 entzogen. Mit Hilfe einer Pumpe 31 wird das Medium mit Druck beaufschlagt und einem Gefäss 32 zugeführt, an das sich die Leitung 29 anschliesst. Der Druck in dieser Leitung 29 kann mit Hilfe eines Druckregelventils konstant gehalten werden. . Das ServoMentilci28 wird auf nicht näher angedeutete V/eise betätigt, wobei das Druckmedium bedarfsweise dem Arbeitsraum 24 oder 25 zugeführt werden kann. Das Druckmedium, das aus einem der beiden Arbeitsräume austritt,

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strömt über die Leitung 33 in den Behälter 14 zurück.

Durch den beschrebenen Verlauf der Spalten 10 und 16, und

19 und 20 wird eine zentrierende Wirkung auf die bewegten Teile ausgeübt, so dass eine metallische Berührung verhindert werden kann. Unabhängig von dem Verhältnis der Drücke In den Arbeitsräume 24 und 25 in bezug aufeinander ist immer der Druck an dem v/eiten Ende der Spalten 19 und

20 grosser als am engen Ende, weil das Druckmedium über die Nut 21 und die Leitung 23 nach aussen abgeführt wird, so dass an diesem'Ende der Spalten kein Druck herschen kann.

An die Leitung 29 sind noch Leitungen 34 und 35 angeschlossen. Leitung 34,in der eine Restriktion 36 angeordnet ist, mündet in die Leitung 27. In der Leitung 35 ist eine entsprechende Restriktion angeordnet, während diese Leitung in die Leitung 26 mündet. In dem Fall dass das Servoventil 28 die Zufuhr zu beiden Arbeitsräumen absperrt, wie dies in der Praxis vorkommen kann, würde die Gefahr bestehen, dass über die Spalten 10, 16, 19 und 20 so viel Druckmedium aus den Arbeitsräumen 24 und 25 austritt, dass diese Arbeitsräurne drucklos werden. In diesem Moment strömt kein Druckmedium mehr durch den genannten Spalt und wird die hydrostatische Lagerung unwirksam. Unter diesen Umständen wild mettalische Berührung auftreten. Die Restriktionen 36 und 37 sind nun so bemessen, dass stets über die Leitungen 34, 35 soviel Druckmedium den Räumen 24 und 25 zugeführt wird, dass die über die Spalten auftretenden Leckverluste ausgeglichen werden.

Die veränderliche Weite der Spalten wid hier erzielt, indem eine konische Ausführung benutzt wird. Es ist auch möglich eine abgestufterAusführung anzuwenden, wodurch eine diskontinuierliche Aenderung der Spaltweite erzielt wird. Auch

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dann tiitt der gewünschte Effekt auf.

Bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung muss das Druckmedium aus der Uut 21 über das bewegte Ende der Kolbenstange 3 abgeführt werden. Wenn der Kolben 2 einen sehr grossen Hub ausführen können muss, muss der Zylinder 1 lang sein, so dass auch die Kanäle 26 und 27 sehr lang werden. Im Zusammenhang mit der Kompressibilität des Druckmediums kann dies von Nachteil sein. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung besteht dieser Nachteil nicht. Der Servomotor in Fig. 2 besteht aus einem Zylinder 40, in dem zwei durch eine Kolbenstange 43 verbundene Kolben 41 und 42 bewegbar sind. Ein'mit dem Kolben 41 verbundener Teil 44 dient als Kolbenstange und ist nach aussen geführt. Die im Zylinder % gebildeten Arbeitsräume 45 und 46 sind durch einen ortsfest im Zylinder 40 angeordneten Teil 47 voneinander getrennt. Die Kolbenstange 43 erstreckt sich durch eine Oeffnung im Teil 47. Der Teil 47 ist an zwei Seiten konisch ausgebildet, so dass Spalten 48 und 49 gebildet sind, deren V/ei te von dem an die Arbeitsräume angrenzenden Ende nach dem anderen Ende hin abnimmt. An dem schmalen Ende münden die Spalten 48 und 49 in eine Nut 50, die über einen Kanal 51 in nicht näher angedeuteter Weise mit einem drucklosen Behälter verbunden ist. Um den Zylinder liegen Büchsen 52, in denen ein Raum gebildet ist, 4*θ mit dem Raum an der drucklosen Seite der Kolben 41 und 42 in Verbindung steht. ä Derjdrucklose Raum 53 hinter dem Kolben 42 steht z.B. über den Kanal 54 mit dem Raum 55 innerhalb der Büchse 52 in Verbindung. Der Raum 55 ist über den Kanal 56 ebenfalls an den drucklosen Kanal 51 angeschlossen. In nicht näher angedeuteter Weise kann über ein Servoventil 57 den Kanälen 58 oder 59 Druckmedium zugeführt werden. Diese Kanäle 58 oder 59 münden an beiden Seiten des Teils 47 in die Arbeitsräume 45 und 46. Unabhängig von der Grosse des Hubes der Kolbens 41 und 42 können die Längen der Kanäle 58 und

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59 sehr kurz bleiben. Die Abfuhr des drucklosen Mediums über den Kanal 51 erfolgt ausschliesslich über nicht bewegte Teile. Die Zentrierung der bewegten Teile zueinander erfolgt hier in gleicher V/eise-wie anhand der Pig. 1 beschrieben ist. Bei der Ausführung nach Fig. 2 sind leitungen 60 und 61 mit den Restriktionen 62 und 63 angegeben. Ueber diese Leitungen können, in gleicher V/eise wie in Pig. 1 für die leitungen 34 und 35.angegeben ist, die über die Spalten auftretenden Leckverluste ausgeglichen werden.

In Pig. 3 ist ein Teil 47 mit der durch denselben hindurchgeführten Kolbenstange 43 in einer weiteren Ausführungsform dargestellt. Von einer ringförmigen Nut 64 in der Mitte des Teils 47 aus erstrecken sich nach beiden Seiten sich verengende^'Spalten 65 und 66. Die Nut 64 steht über einen Kanal 67 mit einer Hochdruckquelle, z.B. der Pumpe für das Druckmedium, in Verbindung.

Hierdurch wird erreicht, dass in der Nut 64 steTis ein höherer Druck herscht als in den Arbeitsräumen 45 und 46. Die Kanäle 56 zum Abführen des Druckmediums, das längs der Kolben 41 und 42 austritt, sind ebenfalls wie in der Ausführung nach Pig. 2 mit einem drucklosen Raum verbunden. Bei der Ausführung nach Pig. 3 wird erreicht, dass das Druckmedium, das über die Spalten 65 und 66 eintritt, wieder über die Spalten längs der Kolben 41 und 42 austreten kann. Hier" wird somit ein automatischer Ausgleich von Leckverlusten erzielt und wenn das Servoventil 57 die Zufuhr von Druckmedium zu den Arbeitsräumen 45 und 46 gesperrt hat, geht der Leckstrom weiter, so dass die hydrostatische Lagerung aufrechterhalten wird» Bei der Ausführung nach Pig. 3 ist somit die gesonderte Zufuhr von Druckmedium über die Kanäle 60 und 61 nicht erforderlich.

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In Jig. 4 ist eine weitere Ausführung des Kolbens 2 in Fig. 1 dargestellt. In dieser Ausführung weist der Kolben in der Mitte den kleinsten Durchmesser auf. Der ringförmige Raum 38 ist' über einen Kanal 39 mit der Leitung 29 verbunden. In entsprechender Weise wie für die Ausführung mch Pig. dargelegt ist, wird nun der ringförmigen Nut 38 Druckmedium eines höheren Druckes als in den Arbeitsräumen 25 und herscht zugeführt. Das längs des Kolbens 2 -leckende Druckmedium kann über die Spalten 10 und 16 austreten. Auch hier wird ein automatischer Ausgleich der Leckverluste erzielt, so dass die Leitungen 34 und 35 nicht mehr erforderlich sind. -

Die in den Figuren dargestellten Spaltweiten sind der Deutlichkeit wegen viel zu gross gezeichnet. Die Weite der Spalten ist von der Grössenordnung von einigen hundertste/ Millimetern. Der Unterschied in ι Weite ist ebenfalls der Grössenordnung von einigen hundertste^ Millimetern. Durch die erfindungsgemässen Massnähmen kann die Reibung so weit herabgesetzt werden, dass beim Anstreben einer gleichförmigen Bewegung mit Hilfe des Servomotors Beschleunigungen auftreten, die kleiner bleiben als 0,01 g.

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Claims

Patentansprüche

Druckmittelbetätigter doppelwirkender Servomotor mit einem Zylinder und einem Kolbensystem mit Kolbenstangen, welches Kolbensystein und welcher Zylinder eine Relativbewegung zueinander ausführen können und welcher Zylinder zwei Arbeit sräurne enthält, die am einen Ende durch eine bewegliche Kolbenflnche und am anderen Ende durch eine ortsfest mit dem Zylinder verbundene Endwandung, die eine DurchführungsÖffnung für eine Kolbenstange aufv/eist, begrenzt sind, welche beiden Räume jeweils über eine Leitung mit einer Ventil- oder Schiebervorrichtung verbunden sind, die die Zufuhr von Druckmedium zu den beiden Arbeitsräumen steuern kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte (19,20^dIe sich längs.der zueinander beweglichen Teile (1,2) von dem einen Arbeitsraum (24) zu dem anderen Arbeitsraum (25) erstreckt, in zwei hintereinander liegende Teilspalten (19 und 20) unterteilt ist, die durch eine umlaufende Nut (21) getrennt sind, welche Seilspalten (19 und 20) am einen Ende eine grössere Weite besitzen als am anderen Ende, wobei die Enden der gesamten Spalte (19, 20) die gleiche V/eite besitzen, dass die umlaufende Nut (21) mit einem Raum (H) verbunden ist, in dem betriebsmässig ein derartiger Druck herscht, dass der Druck an den engen Enden der Teilspalten (19 und 20) immer niedriger ist als der Druck an den weiten Enden dieser Spalten (Ί9 und 20) und dass die Spalten (10, 16) die sich längs der zueinander-bewelichen Teile (5, 15 und 3,4) von den Arbeitsräumen (24, 25) zu der Umgebung erstrecken, eine von innen nach aussen abnehmende V.'eite aufweisen.

2. Doppeltwirkender Servomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbensystem durch zwei im Ab-r

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stand voneinander liegende Kolben (41, 42) gebildet ist, die durch eine Kolbenstange (43) verbunden sind, die eine die Arbeitsräurae (45> 46) trennende, einen "eil uer Zylinderwandung (40) bildende Zwischenwand (47) durchsetzt₍ wobei die Durchführungsöffnung (65,66) für die Kolbenstange (4?) an den Enden einen grösseren Durchmesser aufweist als in der Mitte und wobei am Ort des kleinsten Durchmessers eine ringförmige Nut (50) vorgesehen ist, die mit einem Raum (51) in Verbindung steht, in dem betriebsmässig ein niedrigerer Druck herscht als in den Arbeitsräumen (45,46) und dass die Leitungen (58,59) zum Zuführen von Druckmedium unmittelbar an ' beiden Seiten 6er Zwischenwand (47) in die Arbeitsräume (45, 46) münden. f

Doppeltwirkender Servorotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in beide Arbeitsräume (24,25) eine zusätzliche Leitung (34, 35) zum Zuführen von Druckmedium mündet, in welchen Leitungen (34,35) eine Restriktion (36,37) zum Durchlassen einer Men^e Druckmedium'angeordnet ist, die der über die Spalten (10,16,19,20) austretenden Menge entspricht.

Doppeltwirkender Servorotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbensystem durch zwei in Abstand voneinander liegendem Kolben (41,42) gebildet a ist, die durch eine Kolbenstange (43) verbinden sind, die eine die Arbeitsräume (45,46) trennende, einen Teil der Zylinderwandung (40) bildende Zwischenwand

(47) durchsetzt, wobei die Durchführungsöffnung (65, 66) für die Kolbenstange (43) an den 3nden einen kleineren Durchmesser aufweist als in der Mitte und wobei am Ort des grössten Durchmessers eine ringförmige Nut )64) vorgesehen ist, die mit einem Raur. (67) in Verbindung steht, in dem betriebsmässig ein höherer Druck herscht als in de'n Arbeitsräumen und dass die

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Leitungen (5B,5SO zum Zuführen von Druckmedium unmittelbar an beiden Seiten der Zwiochenwand (47) in die Arbeitsräume (45»46) münden ο

5. Doppeltwirkender Servomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsräurae durch einen Kolben (2) getrennt sind, der an den Enden einen-grösseren Druckmesser aufweist als in der Mitte und bei dem am Ort des kleineren Durchmessers eine ringförmige Hut (38) vorgesehen ist, die mit einem Raum (29) in Verbindung steht, in dem- betriebsmässig ein höherer Druck herscht als in den Arbeitsräumen(24, 25).

6. Doppeltwirkender Servomotor nach Anspruch 1, 2, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdruckraum in offener Verbindung mit der Umgebung steht.

Der Patentanwalt

7/At-

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