DE2212842A1 - Kolbenkompressor mit linearem elektrischem Antrieb - Google Patents
Kolbenkompressor mit linearem elektrischem AntriebInfo
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Description
Diplom-Physiker
Dr. Walter Andrejewski
Diplom-Ingenieur
Dr.-lng. Manfred Honk·
-.η η-, / ^ Diplom-Ingenieur
Anwaltsakte: 38 8^0/Ti-th Hans D|eter Gesthüyse„
4300 Essen, den 15-März 1972
ThaaUrplatz 3
Patentanmeldung
Atlas Copco Aktiebolag
Kolbenkompressor mit linearem elektrischem Antrieb.
Gegenstand der Erfindung ist ein Kolbenkompressor mit linearem elektrischem Antrieb, bestehend aus einem Zylindergehäuse mit
sich darin hin und herbewegendem Kompressorkolben mit Anker und Hilfskolben, wobei für den Kompressorkolben ein Arbeitszylinder
und für den Hilfskolben ein Hilfszylinder im Zylindergehäuse angeordnet sind und ferner ein Stator derart im Zylindergehäuse
ausgebildet 1st, daß durch Erzeugung eines Magnetfeldes der Anker betätigbar und der mit ihm verbundene Kompressorkolben
axial in seinem Arbeitszylinder bewegbar ist. Als linearer elektrischer Antrieb wird vorzugsweise ein derartiger Antrieb
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2 -
verwendet, bei welchem ein Magnetfeld in einem Luftspalt erzeugt wird, durch welchen der Anker bewegbar ist.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen Kolbenkompressor
der vorgenannten Art in der Weise auszubilden, daß er innerhalb weiter Grenzen bei unterschiedlichen Druckverhältnissen
ohne wesentliche Leistungsänderung und Änderung des Wirkungsgrades betrieben werden kann. Dabei soll ein derartiger
Kompressor an ein Leitungssystem für das Arbeitsmedium angeschlossen werden können und aus seiner Ruhelage ohne Gegendruck
an der Druckseite schnell auf vollen Arbeitsdruck beschleunigt werden können. Des weiteren soll die Frequenz nicht
von irgendwelchen mechanischen Federn abhängen, welche im Kompressor eingebaut sind und die Frequenz soll bei sich
ändernden Gegendrücken praktisch konstant bleiben, wobei die Durchschnittsgeschwindigkeit des Kompressorkolbens bei konstanter
Frequenz ebenfalls konstant gehalten werden soll. Da die Geschwindigkeit des Kompressorkolbens am Ende seines
Kompressionshubes mit ansteigendem Gegendruck zunimmt, soll im Rahmen der Brfindung die Geschwindigkeit am Ende des Saughubes
des Kompressorkolbens, wenn der Gegendruck, zunimmt, herabgesetzt werden. ' \
Gekennzeichnet ist ein diesen Forderungen gerecht werdender erfindungsgemäßer Kolbenkompressor der eingangs genannten Art
im wesentlichen dadurch, daß im Hilfszylinder eine vom Hilfskolben
begrenzte Kammer für das Arbeitsmedium derart ausgebildet ist, daß durch den Druok des Arbeitsmediums In der
Kammer der Kompressorkolben in seinem Arbeitszylinder zum
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Kompressionsende hiribewegbar ist, und daß eine die Druckseite
des Kompressors mit der Kammer am Ende des Kompressionshubes des Kompressorkolbens verbindende Einrichtung vorgesehen ist,
wodurch gegen Ende des Kompressionshubes ein Druckausgleich zwischen der Kammer und der Druckseite des Kompressors erzielbar
ist.
Zweckmäßigerweise ist in der Verbindung zwischen der Druckseite
des Kompressors und der Kammer ein Rückschlagventil vorgesehen, während die Verbindung zwischen dem Kompressionsraum des Kompressorkolbens und der Kammer im Hilfszylinder
aus einem den Kompressorkolben, den Anker und den Hilfskolben durchlaufenden Kanal mit darin angeordnetem Rückschlagventil
bestehen kann. Andererseits kann auch im Hilfszylinder zwischen
den Hubenden des Hilfskolbens eine öffnung vorgesehen
und über eine Verbindungsleitung mit der Druckseite des Kompressors verbunden sein, wobei diese Öffnung vom Hilfskolben
derart gesteuert wird, daß sie nahe dem Ende des Kompressionshubes des Kompressorkolbens freigegeben wird. Nach einer
weiteren Besonderheit der Erfindung ist eine den Kompressorkolben, den Anker und den Hilfskolben in Richtung auf das
Kompressionsende des Hubes des Kompressorkolbens beaufschlagende weiche Feder vorgesehen. Dabei kann auch im Hilfszylinder
ein zweiter Kolben vorgesehen und durch eine weiche Feder derart beaufschlagbar sein, daß er teilweise in die Bahn des
Hilfskolbens hineinbewegt werden kann und dadurch zu Beginn
des Kompressionshubes der Kompressorkolben, der Anker und der Hilfskolben in Kompressionsrichtung des Kompressionskolbens
beaufschlagbar sind.
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Eine genauere Erläuterung der Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele anhand
der beiliegenden Zeichnungen; es zeigen:
Figur 1 einen Axialschnitt durch ein erstes Ausführungsbelspiel
eines erfindungsgemäßen Kolbenkompressors mit linearem elektrischem Querfeldantriebj
Figur 2 einen Querschnitt durch den Kompressor aus Fig. 1 längs der Linie II-II;
Figur 5 einen Axialschnitt durch ein zweites AusfUhrungsbeispiel;
Figur 4 einen Axialschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel; und
Figur 5 ein Schaubild zur Darstellung der Veränderung des Kraftverbrauchs des Kompressors bei unterschiedlichen
Drücken und bei unterschiedlichen Kompressionsvolumen im Arbeitszylinder des Kompressors.
Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Kolbenkompressor besitzt ein Zylindergehäuse, welches aus einem Oberteil 1, einem
Unterteil 2 und einem Zwischenteil besteht, wobei letzteres Statorbleche 5 in Form einer packung aufweist, die ein Teil
eines magnetischen Kreises ist und Polschuhe 4 und 5 besitzt, zwischen denen ein Anker 6 quer zum Magnetfeld zwischen den
Polschuhen 4 und 5 hin und her bewegbar ist. Der Anker 6 besteht
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aus einer Anzahl von weichen Blechen aus magnetisierbarem Werkstoff in kreisringförmiger Ausbildung, welche im Wechsel
mit Isolierplatten auf einem Mittelstüok 7 einer Kolbenstange 7, 8, 9 aufgepaßt sind. Dabei tragt das obere Teil 8 dieser
Kolbenstange einen Kompressorkolben 10 mit einem Kolbenring 10a und das untere Teil 9 einen Hilfskolben 11 mit einem
Kolbenring lia. Die Teile "J, 8 und 9 können ineinandergepresst,
miteinander verschraubt oder sonstwie verbunden sein, sodaß sie zusammen mit dem Anker β und den Kolben 10 und 11 ein
einziges Ganzes bilden. Der Kompressorkolben 10 ist in einem
Arbeitszylinder 12 im oberen Teil 1 des Zylindergehäuses hin und her bewegbar. Dieser Arbeitszylinder besitzt einen Stirndeckel
l4, in welchem ein federbelastetes automatisches saugventil
15 und ein Druckventil 16 vorgesehen sind, wobei letzteres mit einem Rohrleitungssystem für das komprimierte Arbeitsmedium
über einen Anschluß löa in Verbindung steht» Eine
Leitung l8 führt vom Druckventil ΐβ zum unteren Teil des Kompressors
und ist über einen Kanal 21 mit einem Hilfszylinder 20 verbunden, in welchem der Hilfskolben 11 hin und her bewegbar
ist. Im Kanal 21 1st ein Rückschlagventil 22 angeordnet, welches das Arbeitsmedium, beispielsweise Luft, daran hindert,
vom HilfszyÜnder 20 über eine Leitung l8 zurückzuströmen,
während das Arbeitsmedium in den Hilfszylinder 20 durch die Leitung 18 einströmen kann, wenn der Druck in dieser Leitung
höher ist als im Hllfsaylinder 20. Es kann davon ausgegangen
werden, daß das Arbeitsmedium vom Hilfszylinder 20 langsam am
Kolbenring lia entlang entweicht, wobei bei einer Ausbildung des Kompressors als Luftpresser das entweichende Arbeitsmedium
In's Freie abgeblasen wird, während bei oaskompreasoren das
Arbeitsmedium der S&ugseite des Kompressors Zugeleitet wird*
209840/077
- 6
Die Teile 23 und 2h der Statorpackung 3 sind von Spulen 25 und
26 umgeben, welche an eine Weohselstromquelle 27 über einen
Gleichrichter 28 angeschlossen sind, welcher nur jede zweite Halbwelle des Wechselstromes den Spulen zuleitet, sodaß im
Magnetkreis magnetische Impulse erzeugt werden, welche den Anker 6 in Figur 1 nach unten zu ziehen neigen. Diese Kraftimpulse
treten infolgedessen mit einer Frequenz auf, welche gleich der Netzfrequenz ist. Das aus dem Kolben, der Kolbenstange,
dem Anker und dem Hilfskolben bestehende Teil 1st vorzugsweise derart bemessen, daß der Anker 6, wenn der Kompressorkolben
10 sich im oberen Totpunkt befindet, vollständig oder im wesentlichen den Zwischenraum zwischen den Polschuhen
4 und 5 verlassen hat. Um den Kompressor anlassen zu können,
muß das Kolben-Ankec^Teil 6-11 von dem in der Figur 1 dargestellten
unteren Totpunkt aufwärts bewegt werden, was dadurch
erreicht werden kann, daß komprimiertes Arbeitsmedium der Leitung 18 und infolgedessen dem unteren Ende des Hilfszylinders
20 zugeleitet wird, sodaß der Hilfskolben 11 den Kompressorkolben 10 nach oben zum Deckel 14 drückt. Wenn der
Strom in 27 eingeschaltet wird, zieht das Magnetfeld zwischen
den Polschuhen 4 und 5 den Anker 6 nach unten, sodaß der Hilfskolben
11 das Arbeitsmedium im Hilfszylinder 20 komprimiert.
Am Ende des Saughubes beginnt das dadurch aufgebaute Druckmitte lkissen im Hilfszylinder 20 das Kolben-Anker-Teil 6-11
nach oben zu drücken, sobald die magnetische Feldstärke zusammenbricht, sodaß der Kompressorkolben 10 das Arbeitsmedium
im Kompressionsraum 32 über ihm verdichtet. Wenn über das
angeschlossen© Leitungsnetz kein Arbeitsmedium entnommen wird,
vollführt der Anker 6 lediglich eine hin und hergehende
209840/077ί
- 7 —
Bewegung zwischen den Polschuhen 4 und 5 und der Kompressorkolben
verdichtet das Arbeitsmedium, welches der Leitung 18 zugeführt wird, sodaß der Druck in dieser Leitung ansteigt
und dadurch ein Druckanstieg im Hilfszylinder 20 in entsprechendem Maße erzielt wird. Dies geht so lange vor sich, bis
ein gewisser Maximaldruck in der Leitung l8 erreicht ist. Bei
geringen Gegendrücken ist die Geschwindigkeit des Kolben-Anker-Teiles zum unteren Totpunkt in den Figuren nahe diesem
Totpunkt höher als bei hohen Gegendrücken.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die drei Teile des Zylindergehäuses durch vier Schraubbolzen 29 zusammengehalten.
Vorzugsweise sind das Oberteil 1 und das Unterteil 2 des Zylindergehäuses aus unmagnetischem Werkstoff, wie beispielsweise
Aluminium, hergestellt.
In einem Kompressor der vorbeschriebenen Art hängt die dem Kompressor zugeführte Kraft von der Phasenverschiebung zwischen
der Bewegung des Kolben-Anker-Teiles und der magnetischen
Feldstärke ab. Die Frequenz der magnetischen Feldstärke ist konstant und gleich der Netzfrequenz.
Der Kraftverbrauch des Kompressors erreicht seinen Maximalwert,
wenn die Phasenverschiebung gleich Null ist.
Um den Kraftverbrauch des Kompressors möglichst günstig und
infolgedessen die Abgabe an komprimierten Arbeitsmedium bei
sich ändernden Gegendrücken so groß wie möglich zu halten, sollte die natürliche Frequenz des sich bewegenden Systems
209840/077
konstant sein. Außerdem muß der Hub des sich hin und herbewegenden
Kolben-Anker-Teiles und das Kompressionsvolumen des Kompressorkölbens
derart bemessen sein, daß die abgegebene Menge an komprimiertem Arbeitsmedium der zur Verfügung stehenden
Kraft entspricht.
Die natürliche Frequenz des hin und hergehenden Kolben-Anker-r
Teiles wird durch den Gegendruck beeinflusst, da die im Kompressionsvolumen des Kompressorkolbens gespeicherte Energie
bei ansteigendem Gegendruck zunimmt. Wenn diese Energie abgegeben und in einem elastischen Volumen und in einem Kissen
gespeichert wird und/oder in einer metallischen Feder am unteren Totpunkt, dann wird eine Phasenverschiebung erreicht, welche
schnell zunimmt, wenn der Gegendruck vom Bemessungsdruck abweicht. Im erfindungsgemäßen Kompressor wird die Energie des
Kompressionsvolumens im Arbeitszylinder des Kompressorkolbens
und.des Antriebsteiles grundsätzlich von einem elastischen Arbeitsmittelvolumen im Hilfszylinder aufgenommen, und zwar
mit einem dem Gegendruck gleichen Druck, sowie durch ein elastisches Arbeitsmittel-Kissen am Ende des Saughubes. Wenn
der Gegendruck ansteigt, wird ein zunehmender Teil der Energie durch das elastische Arbeitsmittelvolumen im Hllfszylinder und
ein abnehmender Teil durch das elastische Arbeitsmittel-Kissen aufgenommen, während gleichzeitig der Hub um einen unbedeutenden
Wert verkleinert wird.
Der Kraftverbrauch eines Kompressors der vorbeschriebenen Art
ist proportional dem Hub bei konstantem Gegendruck und konstangem Kompressionsvolumen. Der Kraftverbrauch bei konstantem
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Hub, jedoch sich änderndem Gegendruck ist schematisch in Figur
dargestellt. Dabei zeigt die Ordinate E die Kraft, die Abszisse B den Hub und P % das Kompressionsvolumen des Hubräumes des
Arbeitszylinders unter vorherrschender Bedingung.
Durch entsprechende Bemessung des hin und hergehenden Kolben-Anker-Teiles
einschließlich des Hilfskolbens 11 läßt sich ein Kompressor entwerfen, der bei guter Leistung die Maximalkraft
des Antriebjsteiles bei sich ändernden Gegendrücken ausnutzt.
Der vorbeschriebene Kompressor arbeitet mit einem elastischen Arbeitsmedium, wobei der erfindungsgemäße Kompressor selbstverständlich
irgendein beliebiges elastisches Arbeitsmedium, wie Gas oder Gasmischungen oder Luft je nach dem Verwendungszweck
des Kompressors verarbeiten kann. Der erfindungsgemäße Kompressor läßt sich auch als Vakuumpumpe abwandeln. Die dargestellten
Kompressoren sind zur Verdichtung von Luft ausgelegt. Die vorbeschriebenen Kolben 10 und 11 können in gewissen Fällen
auch durch Membrankolben ersetzt werden. Die erfindungsgemäßen
Kompressoren können auch als doppeltwirkende Maschinen ausgebildet werden, was im Prinzip bedeuten kann, daß die meisten
Einzelteile doppelt vorhanden sind.
Bei dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die
den Figuren 1 und 2 entsprechenden Einzelteile mit den gleichen Bezugszeichen wie dort versehen und sollen daher nicht nochmals
beschrieben werden. Anstelle des Kanals 21 und der Leitung 18 in Figur 1 besitzt das AusfUhrungsbeispiel gemäß Figur 3 einen
Kanal 51, welcher in der Kolbenstange 7, 8, 9 ausgebildet ist
2098 4 0/0 77 θ
- 10 -
und die Kompressionskammer 32 des Kompressorkolbens mit dem
Hilfszylinder 20 verbindet. Im Kompressorkolben 10 ist innerhalb
dieses Kanals 31 ein Rückschlagventil 33 vorgesehen,
welches einen Rückfluß des Druckmittels vom Hilfszylinder 20
in die Kompressionskammer 32 verhindert. Im Hilfszylinder 20
ist ein Preikolben 34 vorgesehen, welcher mittels einer weichen
Feder 35 gegen einen entsprechenden Absatz 20a nach oben gepresst
wird und dadurch das Kolben-Anker-Teil 6-11 in einer gewissen angehobenen Stellung festhält, so lange die Spulen 25
und 26 nicht unter Strom eingeschaltet wird, wird der Anker 6 nach unten gezogen, sodaß der Hilfskolben 11 den Preikolben 34
nach unten drückt und ein elastisches Druckmittelvolumen und
Kissen im Hilfszylinder 20 sowie die Feder 35 zusammenpreßt. Dieses komprimierte Arbeitsmittelvolumen und Kissen sowie die
Feder 35 treiben danach das Kolben-Anker-Teil 6-11 nach oben, sodaß der Kompressorkolben 10 das Arbeltsmedium in der Kompressionskammer
32 verdichtet. Ein Teil dieses verdichteten Arbeitsmediums wird über das Rückschlagventil 33 in den Kanal
31 abgegeben und über diesen dem Hilfszylinder 20 zugeleitet, sodaß, wenn die Maschine eine kurze Zelt lang gelaufen ist und
der Druok an der Druckseite des Kompressors angestiegen ist, der Druck an der Druckseite des Kompressors angestiegen ist,
der Druck im Hilfszylinder 20 ebenfalls erhöht wurde. Der
Preikolben 34 wird dann im Hilfszylinder nach unten gepresst, sodaß, wenn der Kompressor seinen Normalbetrieb erreicht hat,
der Hilfskolben 11 niemals den Preikolben 34 während des
Normalbetriebes des Kompressors erreichen kann. Infolgedessen
wird während des Normalbetriebes des Kompressors die Feder 35 zusammengepresst bleiben, sodaß der Preikolben außer Reichweite
des Hilfskolbens 11 ist und dieser nicht gegen ihn schlagen kann.
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- 11 -
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 sind die Statorbleche 3 in einem Abstandsring 3 eingeformt oder eingegossen, welcher
eine Führung zur Zentrierung des Oberteiles 1 und des Unterteiles 2 des Zylindergehäuses gegenüber der Statorpackung 3
ergibt.
Bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Saugventile 15 des Arbeitszylinders durch Öffnungen 36 im
Zylindermantel 13 ersetzt, welche durch den Kompressorkölben
10 gesteuert werden, sodaß dieser infolgedessen auch als saugventil
fungiert. Außerdem ist die Leitung 18 an eine Öffnung 38 im Hilfszylinder 20 angeschlossen, welche zwischen den
Enden des Hilfskolbenhubes im Hilfszylinder 20 liegt und durch
den Hilfskolben 11 derart gesteuert wird, daß der Hilfszylinder 20 während des Kompressionshubes des Kompressorkolbens an die
Druckseite des Kompressors angeschlossen ist. Um den Kompressor anzulassen, muß entweder eine Feder 39 zwischen dem Unterteil
2 des Zylindergehäuses und einer Schulter 9a an der Kolbenstange
9 vorgesehen werden oder es muß komprimiertes Arbeitsmedium dem Hilfszylinder 20 unterhalb des Kolbens 10 zugeführt
werden, bevor der Strom eingeschaltet wird.
Bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Prinzip der Speicherung von Energie seitens des Kompressionsvolumens und seitens der magnetischen Feldstärke in einem
elastischen Arbeitsmittelvolumen mit konstantem Druck im Hilfszylinder und in einem elastischen Arbeitsmittelkissen ohne
weiteres klar, da dieses Volumen das Zylindervolumen über der Unterkante der Öffnung 38 ist und das Kissen vom Kolben 11
unterhalb dieser Kante begrenzt wird.
209840/0779
- 12 -
Die vorbeschriebenen und in den Figuren dargestellten Kompressoren
sind lediglich als Ausführungsbeispiele zu werten und können im Rahmen der Erfindung auf die verschiedenste
Weise in ihren Einzelteilen abgewandelt werden.
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Claims (6)
- Andrejewski, Honke & Gesthuysen, Patentanwälte, 4300 Essen, Theaterplatz- 13 Patentansprüche:IJ Kolbenkompressor mit linearem elektrischem Antrieb, besteiend aus einem Zylindergehäuse mit sich darin hin und herbewegendem Kompressorkolben mit Anker und Hilfskolben, wobei für den Kompressorkolben ein Arbeitszylinder und für den Hilfskolben ein Hilfszylinder im Zylindergehäuse ausgebildet sind und ferner ein Stator derart im.Zylindergehäuse angeordnet ist, daß durch Erzeugung eines Magnetfeldes der Anker betätigbar und der mit ihm verbundene Kompressorkolben axial in seinem Arbeitszylinder bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Hilfszylinder (20) eine vom Hilfskolben (11) begrenzte Kammer für das Arbeitsmedium derart ausgebildet ist, daß durch den Druck des Arbeitsmediums in der Kammer der Kompressorkolben (10) in seinem Arbeitszylinder (12) zum Kompressionsende hinbewegbar ist, und daß eine die Druckseite des Kompressors mit der Kammer am Ende des Kompressionshubes des Kompressorkolbens verbindende Einrichtung (18, 21; 31; 38) vorgesehen ist, wodurch gegen Ende des Kompressionshubes ein Druckausgleich zwischen der Kammer und der Druckseite des Kompressors erzielbar ist.
- 2. Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung zwischen der Druckseite des Kompressors und der Kammer ein Rückschlagventil (22 bezw. 33) vorgesehen ist.209840/0779Andrejewski, Honke & Gesthuysen, Patentanwälte, 4300 Essen, Theaterplatz- 14 - . ■
- 3. Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Kompressionsraum (32) des Kompressorkolbens (10) und der Kammer im Hilfszylinder (20) aus einem den Kompressorkolben (10), den Anker (6) und den Hilfskolben (11) durchlaufenden Kanal (31) und einem darin angeordneten Rückschlagventil (33) besteht.
- 4. Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Hilfszylinder (20) zwischen den Hubenden des Hilfskolbens (11) eine Öffnung (38) vorgesehen ist und diese öffnung über eine Verbindungsleitung (18) mit der Druckseite (l6) des Kompressors verbunden ist.
- 5. Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Kompressorkolben, den Anker und den Hilfskolben (6-11) in Richtung auf das Kompressionsende des Hubes des Kompressorkolbens (10) beaufschlagende weiche Feder (39) vor- · gesehen ist.
- 6. Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Hilfszylinder (20) ein zweiter Kolben (34) vorgesehen und durch eine weiche Feder (35) derart beaufschlagbar ist, daß er teilweise in die Bahn des Hilfskolbens (11) hineinbewegbar ist und dadurch zu Beginn des Kompressionshubes der Kompressor, der Anker und der Hilfskolben (6-11) in Kompressionsrichtung des Kompressionskolbens (10) beaufschlagbar sind.Patentanwalt.2098 k0/0779
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