DE2348954A1

DE2348954A1 - Kompensierter bimetallschalter mit zeitverzoegerung

Info

Publication number: DE2348954A1
Application number: DE19732348954
Authority: DE
Inventors: Richard James Brown
Original assignee: TRI MEN Manufacturing Inc
Current assignee: TRI MEN Manufacturing Inc
Priority date: 1972-09-28
Filing date: 1973-09-28
Publication date: 1974-04-11
Also published as: CA977806A; US3801944A; JPS4992565A

Description

IRI - MEN Manufacturing Inc.,
Painesville, Ohio/USA

Kompensierter Bimetallschalter mit Zeitverzögerung

Besonders zur Heizung von Fahrzeugen, beispielsweise zur Heizung von Wohnwagen, benötigt man zum genauen und. zuverlässigen Betrieb der Heizeinrichtungen eine sichere Steuerung. Zu solchen Steuerungen gehören Zeitverzögerungen, die die Schaltfolge des Gerätes überwachen und bei einem Versagen des Gerätes diese sicher abschalten. Ein solches Versagen kann herrühren vom Ausfall der Zündung (Fehler der Steuerung oder Kraftstoffmangel), vom Ausfall des Gebläsemotors oder von ungenügender Spannung der Stromquelle (Batterie). Der erfindungsgemäße, zeitverzöger-

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te Schalter öffnet nach einer bestimmten Zeitspanne während des Starts oder später im Betrieb einen Stromkreis und stellt dadurch einen sicheren Zustand.her, falls im System die o.g. Defekte auftreten. Der erfindungsgemäße Schalter arbeitet unabhängig von der Umgebungstemperatur innerhalb einer sehr genauen Zeitspanne»

Der erfindungsgemäße Schalter benötigt ferner sehr wenig Strom, sodaß die Stromquelle wenig belastet wird (beispielsweise ein Akkumulator). Auch relativ große Spannungsschwankungen der Stromquelle beeinflussen den erfindungsgemäßen Schalter kaum. Der Schalter öffnet und geht in die Ausschaltstellung, aus der er von Hand wieder zurückgestellt werden mußj dadurch wird ein erneutes Ansprechen vermieden, das unter den o.a. Umständen zu gefährlichen Schäden führen könnte.

Bei Verwendung in Fahrzeugen spielt immer die Platzfrage eine große Rolle. Der erfindungsgemäße Schalter ist deshalb sehr kompakt ausgeführt, arbeitet aber dennoch auch unter widrigen Umgebungsverhältnissen, bei Erschütterungen, starken Temperaturschwankungen und bei grober Behandlung zuverlässig und sicher.

Ferner läßt sich bei dem erfindungsgemäßen, zeitverzögerten Schalter das Schaltintervall innerhalb enger Grenzen variieren, bzw. einstellen.

Zur ausführlicheren Erläuterung der Erfindung wird auf die■ Zeichnung Bezug genommen. Darin zeigt:

Pig. 1 eine auseinandergezogene Darstellung (zweiteilig) der

Teile des erfindungsgemäßen Schalters, Fig. 2 eine teilweise längs geschnittene Ansicht des geöffneten

Schalters ("gesperrt"),
Fig. 3 eine ähnliche Darstellung des Schalters, jedoch im ge-

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schlossenen Zustand/ wobei gestrichelt auch die Maßnahmen zur Rückstellung des Schalters sowie die Stellung der unteren, teraperaturkcmpensierten Schalterzunge erkennbar sind,

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Anwendung des Schalters in einem'Stromkreis eines Heizgerätes, wobei zur Last auch ein Gebläsemotor, eine Zündeinrichtung und andere Schalteinrichtungen gehören können.

Der Schalter S umfaßt einen Stapel übereinanderliegender Teile zwischen einer Basisplätte 1 und einer Abdeckplatte 6o, durch Stifte 7o und 71 zusammengehalten. Die Arbeitsteile des Schalters sind durch eine Reihe isolierender Distanzstücke 11 und Zwischenlagen Jo getrennt. Gemäß Pig. 1 u. 2 trägt die Basisplatte 1 eine erste Schalterzunge Io von etwa rechteckiger Form. Diese erste Schalterzunge ist aus einem elektrisch leitenden Bimetallstreifen hergestellt, am einen Ende eingespannt und biegt sich am anderen Ende abhängig von der Änderung der Temperatur. Am biegsamen Ende■befindet sich eine-Kontaktspitze 12. Ein Isolierblock 11 trennt die Zunge Io von der Platte 1. Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegt ein Anschlußblatt 2o mit einer öse 2o a und einem Verbindungspunkt 2o b im Stapel unter der Unterseite der Zunge Io und dient zur Verbindung der Zunge Io mit einer äußeren Stromquelle. Die Zunge Io kann jedoch auch mit einem Zapfen für elektrische Anschlüsse versehen werden. Das gleiche gilt für die zweite Zunge 15 und das zugehörige Anschlußblatt 25.

Ein Ende einer zweiten, elektrisch· leitenden Zunge 15 wird in einer festen Stellung über der Zunge Io durch einen Isolierblock 11 a gehalten, der dem Block 11 ähnelt. Diese Zunge besteht aus federndem Metall und besitzt in der Mitte einen Ausschnitzt Das freie Ende der Zunge 15 trägt einen Schaltkontakt l8, der mit dem Schaltkontakt 12 der Zunge Io zusammenwirkt. Zur

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elektrischen Verbindung der Zunge 15 dient der Anschluß 23 mit einer öse 23 a, der im Stapel zwischen dem Isolierblock 11 a und der angrenzenden Zunge angeordnet ist. Ein weiteres Anschlußblatt 22 mit einer nach unten gebogenen Lasche 22 a ist zwischen,dem Isolator 11 a und der Zunge Io angebracht, davon jedoch durch eine I soli er zwischenlage J>o getrennt.

Ein T-förmiges Bimetall-Betätigungselement 4o ist über der Zunge 15 angebracht und reicht mit seinem Schaft 4l über die öffnung 16 der Zunge. Das Betätigungsglied kann beispielsweise aus Bimetall "Chase 24oo" hergestellt sein. Der Schaft 4l endet in einer Lasche 42. Eine ähnliche Lasche VJ ragt vom vorderen Rand des Ausschnittes 16 nach innen. Diese beiden Laschen gehen in den Schlitz 47 bzw. 48 im Arm einer U-förmigen Triggerfeder (vorzugsweise aus einem dünnen Blech einer Berylliumlegierung hergestellt). Der Schaft des Betätigungsgliedes 4o ist mit einem Widerstandsdraht 43 bewickelt, der durch elektrisch isolierendes Papier 44 vom metallenen Schaft 4l getrenn ist. Dagegen kann die Wärme des· Drahtes den Schaft erreichen. Das Ende 45 bzw. 46 der Drahtwicklung ist bei 22 a bzw. 24 a mit Anschlußstreifen bzw. 24 verbunden (Fig.2). Wenn Strom durch die Wicklung 43 fließt, so wird diese erwärmt und das Bimetallglied 4o biegt sich nach unten durch die öffnung 16 der Zunge 15.

Über das Betätigungsglied 4o sind ein isolierendes Distanzstück 11 b, ein Anschlußstreifen 24 (mit einer Zunge 24 a zum Anschluß des Drahtes 45), eine Isolierzwischenlage 3o a und eine Rückstellfeder 5o gestapelt. Diese Rückstellfeder ist annähernd rechtwinklig· und entspricht in den Abmessungen der Zunge 15 und trägt, am freien Ende einen isolierten Druckknopf 51* der mit dem Kontaktdruckknopf 18 am Ende der Zunge 15 zusammenwirkt. Ein Rückstellstift 55 ist in einer Führung 58 der Abdeckplatte gehalten, die das obere Ende der Schalteranordnung bildet. Eine Isolierzwischenlage 3o b trennt die Abdeckung 6o von der Rück-

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stellfeder 5o und bildet einen Zwischenraum für die Biegung der Feder. Beim Niederdrücken des Stiftes 55 wird die Rückstellfeder 5o gegen die Zunge 15 bewegt, wie in Pig. 5 gestrichelt angedeutet. Beim Loslassen des Stiftes 55 geht die Rückstellfeder 5o wieder in ihre normale, horizontale Stellung zurück.

Die ganze Anordnung ist zwischen der Basisplatte 15 und der Abdeckung 16 durch Stifte 7o und Jl zusammengeklemmt, die durch öffnungen 72 und 73 in jedem der einzelnen Schalterelemente gehen. Vor dem Zusammenbau werden über die Stifte Isolierröhrchen 7^*75 geschoben, die die stromführenden Teile von der übrigen Schalteranordnung trennen. Die Stifte sind am Ende j6 (Fig. 2) umgenietet und klemmen die ganze Anordnung fest zusammen.

Die Basisplatte 1 besitzt außerdem eine Gewindeöffnung 2 mit einer Einstellschraube ~5, die auf das Isolierstück 4 der Schalterzunge Io wirkt. Diese Zunge wird bei Temperaturanstieg nach unten gedrückt, wobei die Schraube J zur Einstellung der Ruhestellung der Zunge Io dient. Ebenso läßt sich die obere Biegegrenze des Bimetall-Betätigungsgliedes 4o durch einen Anschlag in Form einer Einstellschraube 6l, die durch eine öffnung 62 der Abdeckplatte 6o geschraubt ist, einstellen. Diese Schraube geht nach unten und drückt auf das freie Ende des Schaftes 41. Da der Schaft 4l bei einem Temperaturanstieg (unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur) nach unten geht, kann die Schraube 6l die Bewegung des Schaftes 4l nach oben, in seine normale, nicht beheizte Stellung begrenzen. Ein Isolierstück 63 an der Spitze der Schraube 6l verhindert einen Stromfluß zur Abdeckplatte 60.

Der erfindungsgemäße Schalter ist besonders zur Brennersteuerung und für Heizzwecke in Kraftfahrzeugen, Flugzeugen usw. geeignet, ist jedoch auch für andere Steueraufgaben einsetzbar. Gemäß Fig.4 wird der Schalter in einem Steuerstromkreis verwendet. Eine Strom-

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quelle 80, beispielsweise eine Kraftfahrzeugbatterie bzw. ein Akkumulator, ist mit einer Zuleitung 8l mit der temperaturkompensierten Schalterzunge Io (über den Anschluß 2o b) verbunden und außerdem mit dem Eingangsanschluß eines elektrischen Steuerungssystems 82. Ein Leiter 83 führt von der Steuerung 82 zu einem Anschluß 45 der Birnetallwicklung 43, über das Anschlußblatt 22. Die andere Seite 46 der Wicklung ist über den Anschluß 24 und den Leiter 87 mit dem anderen Pol der Stromquelle 80 verbunden. Die Schalterzunge 15 ist elektrisch mit der Last 85 über den Leiter 84 verbunden, der vom Anschluß 23 zur Last 85 führt. Die Last 85 kann das Zündelement eines Brenners, ein Gebläsemotor, ein magnetgesteuertes Kraftstoffventil oder ein anderes Element sein. Die Wicklung 43 wird abhängig von der Hauptsteuerung 82 gesteuert. Die Speisung der Last 85 hängt prinzipiell vom Schalter S und davon ab, ob der Schalter "offen" (Fig. 2) oder "geschlossen" (Pig. 3) ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel überwacht der Schalter S die Anlauf-oder Startperiode des Systems, sodaß, falls eines der Systemkomponenten ausfällt, der Schalter S innerhalb vorgegebener Zeit öffnet und die Last 85 von der Stromversorgung 80 trennt, sodaß das System keinen gefährlichen Betriebszustand erreichen kann. Wenn ein Fehler im Brennersystem vorliegt und der Schalter S seine Schutzfunktion erfüllt hat, soll er im offenen, d.h. stabilen Schaltzustand bleiben, um einen neuen Schalt ablauf und/oder einen laufenden Stromverbrauch der Stromquelle 80 zu vermeiden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel öffnet deshalb der Schalter S auch durch Ansprechen der Steuerung 82 die Wicklung 43 des Betätigungsgliedes, sodaß auch der Schalter keinen Strom verbraucht.

Im Ausführungsbeispiel werden über den Schalter verschiedene Teile der Last 85 während einer genau bestimmten Zeitspanne mit Strom versorgt (beispielsweise während der Zeit, die der Brenner zur Zündung und Erreichung des Betriebszustandes benötigt). Wenn der Brenner oder andere Teile versagen, wird der Stromkreis zur

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Last durch den Schalter geöffnet und bleibt ausgeschaltet, bis er von Hand zurückgestellt wird und die Bedienungsperson die Last überprüfen kann, die zur Ausschaltung führte. Der Schalter S ist also normalerweise gemäß Fig. 3 geschlossen und wird unter bestimmten Zuständen gemäß Fig. 2 geöffnet, bzw. gesperrt. Im Anwendungsfall des Schalters beträgt die Zeitspanne von der ersten Einschaltung des ,Schalters bis zur Ausschaltung ca. 35 Sekunden. Diese Zeitspanne läßt sich innerhalb Grenzen durch die Einstellschraube 3 verändern.

Einzelheiten der Arbeitsweise des Schalters S ergeben sich am besten aus den Fig. 2 u. 3· Prinzipiell wird das Ende des Schaftes 4l des Bimetall-Betätigungsgliedes über einen begrenzten Bogen bewegt, sodaß die Triggerfeder 4-9 die obere Schaltzunge 15 aus der oberen Kontakt st ellung mit der Zunge Io (Fig. 3) von" der Zunge trennt (Fig. 2) und in eine obere Schaltstellung bringt, in der die Zunge Ϊ5 bis zur manuellen Rückstellung bleibt. Durch die in der Wicklung 43 erzeugte Wärme wird der Bimetallschaft 4l nach oben umgebogen und geht durch die Öffnung ΐβ in der Zunge 15* bis die Lasche 42 am Zapfen 17 vorbei drückt und die Feder 49 die Zunge 15 von der Zunge Io nach oben wegschnappt. Dieser Schaltvorgang unterbricht den Stromkreis durch die Wicklung 43 (infolge der Wirkung der Steuerung 42) und das Betätigungsglied 4o kühlt sich ab und versucht in seine Ruhestellung zurückzugehen. Die Triggerfeder 49 hält jedoch die Zunge 15 im geöffneten Schaltzustand und läßt den Schaft 4l des Betätigungsgliedes nicht in den Ruhezustand zurückkehren. Die Zunge 15 wird somit unwiderruflich im offenen Schaltzustand gemäß Fig. 3 gehalten. Die tatsächliche Bewegung der Betätigungsspitze 41 (infolge der Wärmeverformung des Schaftes), kann weniger als 2 mm betragen, wird jedoch durch die Wirkung der Feder 49 erhöht, sodaß die Ausschaltwirkung gewährleistet ist. Zur Rückstellung des Schalters wird der Stift 55 gedrückt, wodurch die Blattfeder 5° die Zunge 15 gegen die Zunge Io drückt. Dadurch wird die Triggerfeder 49 zusammengedrückt

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und läßt die Zunge 15 am Schaft 4l vorbeigleiten (der sich jetzt abkühlt oder bereits abgekühlt ist und in die Startstellung geht). Danach hält die Feder 49 die Zunge 15 in Berührung mit der Zunge lo, sodaß der Strom über die Schalterzungen Io und 15 und die Kontaktstück© 12 und 18 fließen kann.

Zur Kompensation der Umgebungs-und Arbeitstemperatur ist die Schalterzunge Io aus Bimetall hergestellt. Bei niedriger Temperatur biegt sich diese Zunge nach oben gegen die Zunge 15 und unterstützt die Triggerwirkung (verringert die Schaltstrecke des Schaftes 4o). Wenn man berücksichtigt, daß bei niedriger Temperatur die Heizwirkung der Wicklung 43 niedriger ist (größerer Wärmeverlust erhöht die Zeitverzögerung), so erfolgt die Aufwärtsbiegung der Zunge Io in der richtigen Richtung und versucht die Zeitverzögerung konstant zu halten. Dagegen soll bei höherer Arbeitstemperatur (beispielsweise wenn die Steuerung dicht gekapselt ist oder in der Nähe der Heizeinrichtung liegt, usw.) diese Zunge nach unten gebogen werden, um bei wärmerer Umgebung die schnellere Erwärmung' des Bimetalles 4o kompensieren zu können. Ein Anstieg der Umgebungstemperatur hat zwar einen ähnlichen Einfluß auf das Bimetall 4o, ist jedoch nicht so ausgeprägt, da die Länge der Zunge Io größer ist als diejenige des Bimetalles 4o, sodaß der Einfluß der höheren Umgebungstemperatur den Abstand zwischen der Spitze 41 und dem Zapfen 17 erhöht. Dadurch wird die Zeitverzögerungsperiode verlängert und der Verkürzungseinfluß durch die schnellere Erwärmung (bei höherer Umgebungstemperatur) des Bimetalles 4o ausgeschaltet. Man erhält dadurch für den Schaltvorgang die gewünschte, konstante Zeitperiode.

Die Einstellschraube 3 ermöglicht die Einstellung der Zeitverzögerung. Die Zeitverzögerung wird verringert, wenn der Abstand zwischen der Zunge Io und dem Bimetall-Betätigungsglied 4o durch Drehen der Schraube J5 verringert wird. Die Verzögerung läßt sich dadurch beim Ausführungsbeispiel zwischen 2o Sekunden und 12o Se-

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künden einstellen. Außerdem ermöglicht diese.Einstellung einen Ausgleich unterschiedlicher Materialeigenschaften des Bimetalles, aus dem die Zunge Io hergestellt ist.

Im Ruhezustand liegt das Bimetallbetätigungsglied 4o bei einer Umgebungstemperatur von 21 Grad Celsius an sich flach, wird jedoch durch die Wirkung der Triggerfeder 49 gemäß Pig. 3 nach oben gebogen, wenn die Schalterzunge 15 zurückgestellt ist und in ihrer unteren geschlossenen Schalterstellung ist. Der Grad der Aufwärtsbiegung bestimmt sich aus der Feder- (biege-) wirkung der Feder 49. Bei einem Rückgang der Umgebungstemperatur biegt sich das Bimetall 4o nach oben und von der Zunge 15 weg« Diese sich addierenden Verschiebungen müssen überwunden werden, bevor die Triggerwirkung stattfinden kann, sodaß sie die Zeitverzögerung des Schalters bestimmen. Zur Kompensation dieses Einflusses begrenzen gemäß der Erfindung Einstellmittel die Aufwärtsbewegung des Betätigungsgliedes 4l. Hierzu dient die Einstellschraube 61, die man so einstellen kann, daß sie die Schaltung des Betätigungsgliedes 41 auf einem konstanten Wert hält, durch Positionieren des oberen Bewegungspunktes des Schaftendes des Betätigungsgliedes. Bei richtiger Einstellung der Schraube 6l führt die Erwärmung der Wicklung 4^ zur Bewegung des Endes des Bimetalles 4l über den gleichen Bogen unabhängig von der Umgebungstemperatur, sodaß die Zeitverzögerung richtig gesteuert wird. Man kann darin somit eine "standardisierte Einstellung" sehen.

Der erfindungsgemäße Schalter läßt sich bei sehr stark schwankender Umgebungstemperatur verwenden. Die Schwankungen können herrühren von klimatischen oder geographischen Einflüssen oder von der Anbringung in einem Gerät. Beispielsweise kann der Schalter in nördlichen Zonen bei einer Umgebungstemperatur von minus 12 Grad Celsius arbeiten, wobei jedoch durch die Art der Installation die Schaltertemperatur 21 Grad Celsius erreichen kann. In diesem Fall muß der Schalter auf minus 12 Grad Celsius Umgebungstemperatur

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und über 15*5 Grad Celsius Temperaturanstieg einstellbar sein. Durch richtige Einstellung der Schrauben j5 und 6l läßt sich der Schalter S auf die obigen Umgebungstemperaturen einjustieren, sodaß man die gewünschte Zeitverzögerung erreicht. Die Einstellmittel ermöglichen auch die Korrektur von Schwankungen der Eigenschaften des verwendeten Bimetalles und von anderen Variablen der Triggerfeder 49. Dadurch arbeitet der erfindungsgemäße Schalter über einen großen Umgebungstemperaturbereich einwandfrei.

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Claims

PATENTAN-S' PRÜCHE

Schalteranordnung mit einer Basisplatte und einer Abdeckplatte und zwei dazwischen im Abstand gehaltenen Schalterzungen, deren freie'Enden über eine Schalterspitze einen Stromkreis schließen, gekennzeichnet durch einen leichten Bimetall-Betätigungsstreifen, der kurzer ist als die Zungen, und mit einem Ende etwa über der zweiten Zunge gehalten ist, durch eine Wärmeerzeugungsquelle für den Streifen, die zu einer Durchbiegung des nicht abgestützten Teiles führt, durch eine Feder zur Verbindung des nicht abgestützten Streifenendes mit dem zugehörigen Ende der zweiten Schalterzunge, sodaß eine begrenzte Biegung des Bimetallstreifens die zweite Schalterzunge von der ersten Schalterzunge wegbewegt, und durch vom obigen HauptStromkreis unabhängige elektrische Schaltmittel zur manuellen Überwindung der Feder zur Rückstellung der zweiten Zunge so, daß sie die erste Zunge berührt, wenn der Bimetallstreifen annähernd Umgebungstemperatur erreicht hat.

Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schalterzunge ein auf die Umgebungstemperatur ansprechender Bimetallstreifen ist.

Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zunge einen zentralen Ausschnitt aufweist und daß das nicht abgestützte Ende des Betätigungsstreifens gegenüber dieser Zunge frei bewegbar ist,

Anspruch nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch auf der Basisplatte angeordnete Einstellmittel zum positionieren des freien Endes der ersten Sehalterzunge.

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5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Einstellmittel eine Schraube in die Basisplatte geschraubt ist, die im Bereich des festen Endes auf die erste Schalterzunge drückt.

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6. Anordnung nach Anspruch 4 gekennzeichnet durch einen Anschlag der Abdeckplatte zur Begrenzung der oberen Bewegungsbahn des Betätigungsstreifens.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder U-förmig ist, und daß der eine Arm am nicht abgestützten Ende des Betätigungsstreifens und der andere am entsprechenden Ende der zweiten Schalterzunge angreift.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Heizeinrichtung ein Widerstaridsdraht ist, der zur Wärmeübertragung um den Streifen gewickelt ist.

9. Anordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Überwindung der Federkraft eine darüber montierte Zungenlasche enthält, von der zweiten Zunge getrennt, die mit einem manuellen niederdrückbaren Stift zusammenwirkt, der in der Abdeckplatte montiert ist, wodurch die Zungenlasche nach unten gegen die genannte Zunge drückbar ist, die Federwirkung überwindet und die zweite Zunge in Kontakt mit der ersten Zunge bringt.

Ιο. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Enden der beiden Zungen und der Wicklung mit elektrischen Anschlüssen versehen sind.

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