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Einrichtung zur Übertragung eines unter Druck stehenden
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flüssigen Mediums zwischen zwei relativ zueinander rotierenden Teilen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Übertragung eines unter Druck stehenden
flüssigen Mediums zwischen zwei relativ zueinander rotierenden Teilen, nämlich zwischen
einem Gehäuse und einer dieses durchdringenden Welle.
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Solche Einrichtungen sind in verschiedenen Ausführungen bereits bekanntgeworden.
Diese lassen sich in zwei konstruktiv unterschiedliche Kategorien unterteilen.
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Im einen Falle hat man zur Abdichtung des Zwischenraumes zwischen
den zueinander rotierenden Teilen gleitende Dichtungen, nämlich elastische Lippendichtungen
oder Gleitringdichtungen verwendet. Diese Einrichtungen sind nur für relativ geringe
Drücke und Drehzahlen verwendbar, weil infolge der gleitenden Reibung an der Dichtstelle
Erwärmung und Verschleiß auftritt.
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Bei der zweiten Kategorie der bekannten solchen Einrichtungen hat
man die gleitenden Dichtungen durch berührungslose Spaltdichtungen ersetzt. Bei
einer solchen Einrichtung erfolgt die Abdichtung durch einen zylindrischen Ringspalt
zwischen den relativ zueinander rotierenden Teilen. Durchmesserveränderungen an
diesen Teilen infolge Erwärmung wirken sich ebenso wie unvermeidbare Lagerungsungenauigkeiten
zwischen diesen Teilen äußerst nachteilig auf die Spaltbreite der Abdichtung aus.
Die angestrebte, unter allen Betriebsbedingungen gleichbleibende Spaltbreite über
den gesamten Umfang kann mit einer solchen Einrichtung nicht erreicht werden.
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Um dies zu vermeiden, hat man bei einer anderen bekannten Einrichtung
scheibenförmige Teile verwendet, zwischen denen radial gerichtete Dichtspalte vorgesehen
wurden, deren konstante Breite durch die Einschaltung von Axial-Wälzlagern gewährleistet
wird, Veränderungen der Spaltbreite infolge von Wärmedehnungen werden damit weitgehend
ausgeschaltet. Als nachteilig wirkt sich jedoch aus, daß Axial-Wälzlager von höchster
Genauigkeit verwendet werden müssen.
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Es ist schließlich eine weitere Einrichtung bekanntgeworden, bei der
ebenfalls scheibenförmige Teile mit radialen Dichtspalten verwendet werden. Durch
geeignete Hintereinanderschaltung mehrerer Dichtspalte wird erreicht, daß bei einer
Änderung der Breite des einen Dichtspaltes der zweite Dichtspalt steuernd eingreift
und so die Spaltbreite des ersten Dichtspaltes reguliert. Verschleiß und der Einfluß
von Wärmedehnungen sind hierbei ebenfalls weitgehend ausgeschaltet. Nachteilig ist
ein sehr hoher Fertigungsaufwand und großer Platzbedarf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit konstruktiv und fertigungsmäßig
einfachen Mitteln eine solche Einrichtung mit berührungslosen Dichtungen zu schaffen,
bei der sich die Dichtspaltbreite selbsttätig auf einen kleinstmöglichen Wert einstellt
und diesen auch während der gesamten Betriebsdauer beibehält.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß in dem Gehäuse
ein oder mehrere die Welle umgebende Druckübertragungssegmente radial beweglich
so gelagert sind, daß zwischen ihnen und dem Gehäuse ein hydraulischer Druckraum
gebildet ist, der mit einer Druckquelle verbunden ist, während das zu übertragende
flüssige Medium durch gesonderte Kanäle in die Druckübertragungssegmente eingeführt
wird und diese durch Radialbohrungen in ihrer die Welle umgebenden Wandung verläßt.
Das durch die Druckübertragungssegmente
hindurchgeführte flüssige
Medium wirkt sich zwischen diesen und der Wellenoberfläche in der Art aus, daß es
bestrebt ist, die Druckübertragungssegmente radial nach außen zu drücken. Dem wirkt
ein Druck entgegen, der in dem hydraulischen Druckraum, der die Druckübertragungssegmente
umgibt, erzeugt wird und der in seiner Größe so abgestimmt wird, daß er die einzelnen
Druckübertragungssegmente soweit zur Welle hin drückt, daß zwischen diesen und der
Wellenoberfläche ein Dichtspalt von geringstmöglicher Breite entsteht.
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Die Druckübertragungssegmente werden zweckmäßigerweise so ausgebildet
und angeordnet, daß sie in ihrer Gesamtheit den Wellenumfang nahezu vollständig
bedecken, wobei lediglich zwischen aneinandergrenzenden Druckübertragungssegmenten
Spalte von minimalster Breite vorgesehen sind. Bei dieser Einrichtung ist - wie
allgemein bekannt - die Welle mit radial gerichteten Bohrungen versehen, die im
Bereich der Druckübertragungssegmente angeordnet sind, und die in eine Axialbohrung
der Welle münden. Durch diese Bohrungen wird das zu übertragende flüssige Medium
zu- oder abgeführt.
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Bei der Rotation der Welle erfolgt die Übertragung des Mediums so
lange, wie sich die Radialbohrung der Welle im Bereich eines Druckübertragungssegmentes
befindet. Beim Übergang vom einen zum nächsten Segment muß diese Bohrung dem dazwischenliegenden
Spalt passieren, was zu einem Leckverlust führt. Dieser ist jedoch von untergeordneter
Bedeutung, wenn dafür gesorgt wird, daß dieser Spalt wirklich die minimalste konstruktiv
und fertigungsmäßig erreichbare Breite besitzt.
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Um eine Unterbrechung beim Durchgang der Bohrung durch den Spalt praktisch
nicht wirksam werden zu lassen, kann in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung
die Welle im Bereich der Druckübertragungssegmente mit wenigstens zwei über den
Umfang verteilten Radialbohrungen versehen sein, die in eine gemeinsame Axialbohrung
der Welle münden und
die so angeordnet sind, daß sich die eine im
Bereich eines Druckübertragungssegmentes befindet, wenn die andere den Spalt zwischen
zwei Druckübertragungssegmenten passiert.
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Zwischen benachbarten Druckübertragungssegmenten können Federn angeordnet
werden, die bestrebt sind, die Segmente radial nach außen zu drücken Auf diese Weise
wird mit Sicherheit gewährleistet, daß die einzelnen Segmente stets außer Kontakt
mit der Welle gebracht werden, wenn die Einrichtung nicht in Betrieb ist. Erst mit
Inbetriebnahme und mit Zuführung eines Druckmediums in den äußeren hydraulischen
Druckraum, werden die Druckübertragungssegmente nach innen geführt, bis sie den
gewünschten Dichtspalt mit der Welle bilden.
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Derartige Federn können in zweckmäßigerweise durch Blöcke aus elastischem
Werkstoff wie Gummi, Kunststoff oder dgl.
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gebildet sein, die zwischen aneinandergrenzenden Wänden benachbarter
Druckübertragungssegmente angeordnet sind und die in ihrer axialen Erstreckung auf
diese abgestimmt sind. Auf diese Weise läßt sich der hydraulische Druckraum, der
die Druckübertragungssegmente umgibt, in einfachster Weise radial nach innen abdichten,
ohne daß weitere zusätzliche Bauteile erforderlich wären.
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Derselbe Vorteil läßt sich auch dadurch erzielen, daß sämtliche den
Wellenumfang bedeckende Druckübertragungssegmente einstückig aus einem kreisringförmigen
Teil dadurch gebildet sind, daß dieses an mehreren Stellen des Umfanges mit mehreren
eng benachbarten, abwechselnd von der äußeren und inneren Mantelfläche ausgehenden
radialen Einschnitten versehen ist, die sich bis nahe an die entgegengesetzte Mantelflächen
erstrecken. Durch die zwischen den Einschnitten verbleibenden dünnen Metallstege
bleiben die Einzelsegmente zwar miteinander verbunden und damit auch gegeneinander
abgedichtet, wobei sie aber gleichzeitig im erforderlichen Maße in radialer Richtung
verschiebbar
sind. In Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist
es schließlich auch möglich, ein einziges Druckübertragungssegment vorzusehen, das
sich über nahezu 3600 erstreckt und dessen Enden durch einen Spalt von minimalster
Breite voneinander getrennt sind. Auf diese Weise ist insofern ein Optimum erreicht,
als nur noch ein einziger Spalt, an dem Leckverluste auftreten können, vorhanden
ist.
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Um die Druckübertragungssegmente in ihrer Breite nicht zu eng tolerieren
zu müssen, umleine ausreichende Spaltdichtung zu dem Gehäuse zu erreichen, kann
eine elastische Dichtmanschette vorgesehen werden, die die Druckübertragungssegmente
umgibt und die in Gleitkontakt zu den seitlichen Gehäusewänden steht.
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Es kann weiterhin zweckmäßig sein, die Druckübertragungssegmente in
ihren die Welle umgebenden Wandungen mit Taschen zu versehen, die mit den Radialbohrungen
verbunden sind.
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Diese Taschen können so ausgebildet sein, daß sich in ihnen bei Rotation
der Welle ein hydrodynamischer Schmierdruck aufbaut, der in vorteilhafter Weise
die Ausbildung und Konstanthaltung des Dichtspaltes zwischen Wellenoberfläche und
Druckübertragungssegmenten beeinflußt.
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Schließlich ist es in Anwendung der Erfindung möglich, mehrere Kränze
von Druckübertragungssegmenten in einem gemeinsamen Gehäuse unterzubringen. Über
diese einzelnen, axial zueinander angeordneten Kränze von Druckübertragungssegmenten
können dann zweierlei flüssige Medien oder auch Medien mit unterschiedlichen Drücken
übertragen werden, vorausgesetzt, daß die Welle die hierzu erforderlichen getrennten
Bohrungen aufweist.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der beschriebenen Erfindung
dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
Einrichtung in Arbeitsstellung, Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Einrichtung
nach Figur 1 in Ruhestellung, Fig. 3 einen Schnitt nach Linie 111-111 der Figur
1, Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine weitere Einrichtung entsprechend der Erfindung,
Fig. 5 einen Schnitt nach Linie V-V der Figur 4, Fig. 6 einen Längsschnitt durch
eine weitere Variante der Erfindung, Fig. 7 einen Schnitt nach Linie VII-VII der
Figur 6, Fig. 8 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Einrichtung für die
Übertragung zweier unterschiedlicher Medien und Fig. 9 einen Schnitt nach Linie
IX-IX der Figur 8.
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Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Einrichtung besteht aus dem
Gehäuse 1, welches aus dem Bodenteil 2 und dem Deckel 3 gebildet ist, die durch
nicht dargestellte Schrauben miteinander verbunden sind. Das aus diesen Teilen gebildete
Gehäuse besitzt, wie insbesondere Figur 3 erkennen läßt, radial nach innen offene
Führungen 4, die die Druckübertragungssegmente 5 radialverschieblich aufnehmen.
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Diese Druckübertragungssegmente besitzen eine Innenkontur, die der
Oberfläche der Welle 6 angepaßt ist. Sie weisen eine Radialbohrung 7 auf, in die
am äußeren Ende die Querbohrung
8 mündet. Diese steht in Verbindung
mit dem Ringkanal 9 in dem Deckel 3, der seinerseits durch die Zuführbohrung 10
mit dem durch die Einrichtung zu übertragenden Medium gespeist werden kann.
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An der der Welle 6 zugekehrten Begrenzungsfläche des Druckübertragungssegmentes
5 mündet die Radialbohrung 7 in den in Umfangsrichtung verlaufenden Nutabschnitt
11. Von diesem Nutabschnitt 11 ausgehend sind beiderseits Taschen 12 angeordnet.
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Die Welle 6 weist mehrere Radialbohrungen 13 auf, die in die Axialbohrung
14 münden.
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In die zwischen dem Gehäuse 1 einerseits und den Druckübertragungssegmenten
5 andererseits verbleibenden Druckräume 15 mündet die Zuführbohrung 16, durch die
diesen Räumen ein Druckmedium zugeführt werden kann.
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Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellte und vorstehend beschriebene
Einrichtung kann entweder dazu benutzt werden, um bei Rotieren der Welle 6 ein flüssiges
Medium, das über die Zuführbohrung 10 zugeführt wird, in die Bohrung 14 der Welle
6 zu übertragen, der Weg des flüssigen Mediums kann aber auch umgekehrt verlaufen.
Im ersteren Falle führt man über die Zuführbohrung 10 das flüssige Medium zu, das
in den Ringkanal 9 eintritt und sich von dort aus über die Querbohrungen 8 gleichmäßig
in alle Druckübertragungssegmente verteilt. In diesen Segmenten gelangt es über
die Radialbohrungen 7 in den Nutabschnitt 11 und in die angrenzenden Taschen 12.
Nun wird jedoch der auf die Druckübertragungssegmente 5 einwirkende Flüssigkeitsdruck
diese radial nach außen drücken, so daß sie die in Figur 2 dargestellte Lage einnehmen
würden. Eine Übertragung des flüssigen Mediums in die Radialbohrungen 13 der Welle
6 wäre nun nicht mehr möglich, weil der seitliche Dichtspalt zwischen den Stegen
17 an den Druckübertragungssegmenten 5
und der Oberfläche der Welle
6 so groß geworden ist, daß das eingeführte Medium an dieser Stelle austreten wird.
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Führt man nun jedoch über die Zuführbohrung 16 ein Druckmedium in
die Druckräume 15 ein, dann werden die Druckübertragungssegmente in die Position
gedrückt, die sie in den Figuren 1 und 3 einnehmen und bei denen die Stege 17 mit
der Wellenoberfläche einen sehr engen Dichtspalt bilden. Die Größe des Dichtspaltes
läßt sich durch die Höhe des über die Bohrung 16 zugeführten Druckmediums sehr genau
steuern. Ein sich in den Taschen 12 aufbauender hydrodynamischer Druck arbeitet
dabei dem in den Druckräumen 15 herrschenden Druck entgegen, so daß mit größter
Sicherheit metallische Berührung zwischen den Druckübertragungssegmenten 5 und der
Wellenoberfläche vermieden wird.
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Figur 3 läßt die engen Spalte 18 erkennen, die in Umfangsrichtung
zwischen aufeinanderfolgenden Druckübertragungssegmenten vorhanden sind. Diese Spalte
18, die sich aus konstruktiven Gründen nicht vermeiden lassen, werden so eng wie
nur möglich gehalten. Beim Rotieren der Welle werden nacheinander die Bohrungen
13 in den Bereich dieser Spalte gelangen. Durch die Anordnung mehrerer ungleichmäßig
über den Umfang verteilter Bohrungen 13 wird jedoch der Zufluß des zu übertragenden
flüssigen Mediums im ganzen nicht unterbrochen.
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Bei der in den Figuren 4 und 5 dargestellten Einrichtung besteht das
Gehäuse 19 aus dem Bodenteil 20 und dem Deckel 21. Das Bodenteil 20 ist gleichzeitig
so ausgebildet, daß es ein Kugellager 22 zur Lagerung der Welle 6 aufnehmen kann.
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Das Gehäuse 19 hat im wesentlichen U-förmigen Querschnitt und begrenzt
damit einen umlaufenden Ringraum, in dem die Druckübertragungssegmente 23 radial
verschieblich angeordnet sind.
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Die Druckübertragungssegmente 23 sind einstückig als Ringteil ausgebildet.
Die Herstellung dieses Teiles erfolgt aus einem Kreisringteil, in welches an vier
gleichmäßig über den Umfang verteilten Stellen eng nebeneinander jeweils ein radial
gerichteter Einschnitt 24, der von der äußeren Mantelfläche ausgeht und ein Radialeinschnitt
25, der von der inneren Mantelfläche ausgeht, angeordnet sind. Der Einschnitt 25
endet radial innen in dem engen Spalt 26. Durch die beiden Einschnitte 24 und 25
erlangen die Druckübertragungssegmente 23 eine gegenseitige Radialbeweglichkeit,
indem sich das gesamte Ringgebilde aufweiten läßt.
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In Verlängerung der Einschnitte 25 sind Ausnehmungen 27 vorgesehen,
in denen Federn 28 angeordnet sind, die bestrebt sind, die Druckübertragungssegmente
23 auseinanderzudrücken, wodurch diese radial nach außen bewegt und damit außer
Kontakt mit der Welle 6 gebracht werden. Durch diese Federn 28 wird somit mit Sicherheit
vermieden, daß die Segmente 23 die Welle berühren, wenn die Einrichtung nicht in
Betrieb ist.
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An ihrem äußeren Umfang sind die Druckübertragungssegmente 23 von
einer Dichtmanschette 29 umgeben, die den Druckraum 30, der über die Zuführbohrung
31 beaufschlagt werden kann, nach innen hin abdichtet.
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Die Zuführung des zu übertragenden flüssigen Mediums erfolgt über
die Radialbohrung 32 in gleicher Weise wie bei der vorher beschriebenen Einrichtung.
Die einzelnen Druckübertragungssegmente 23 weisen wiederum eine Radialbohrung 7
auf. Diese mündet in die Tasche 33, von welcher aus das Medium über die Radialbohrungen
13 in die Axialbohrung 14 der Welle 6 gelangt.
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Bei der Ausführung nach den Figuren 6 und 7 ist in dem Gehäuse 34,
das aus dem Bodenteil 35 und dem Deckel 36 besteht, ein einziges Druckübertragungssegment
37 angeordnet,
das sich nahezu über 3600 erstreckt. Die Enden dieses
Segmentes begrenzen den Spalt 38. Auch hier ist in einer Ausnehmung 39 eine Feder
40 vorgesehen, welche bestrebt ist, das Segment 37 aufzuweiten und damit dessen
seitliche Stege 41 und die den Spalt 38 begrenzenden Stege 42 außer Kontakt mit
der Oberfläche der Welle 6 zu bringen.
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Das zu übertragende Medium wird durch die Zuführbohrung 43 eingeführt
und verteilt sich in dem Ringkanal 44. Zur Bildung der erforderlichen Dichtspalte
an den Stegen 41 und 42 wird über die Zuführbohrung 45 ein Druckmedium in den Druckraum
46 eingeführt, der nach innen durch die Druckmanschette 47 abgedichtet ist. Die
Einführung des zu übertragenden Mediums in die Welle erfolgt wie bei den beschriebenen
Ausfühbrungen über die Radialbohrung 13 in die Axialbohrung 14.
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Die in den Figuren 8 und 9 dargestellte Ausführung weist zwei Kränze
von Druckübertragungssegmenten auf und ist damit geeignet für die Übertragung zweier
unterschiedlicher Medien.
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Das Gehäuse 48 besteht aus dem Bodenteil 49 und den beiden Deckeln
50. Diese sind so ausgebildet, daß sie gleichzeitig die Kugellager 51 aufnehmen
können. Da sich der Aufbau dieser Einrichtung im wesentlichen nicht von den vorher
beschriebenen unterscheidet, ist eine Beschreibung in allen Einzelheiten entbehrlich.
Es sei lediglich auf die Ausgestaltung und Anordnung der Druckübertragungssegmente
52 hingewiesen zwischen denen Blöcke 53 aus elastischem Werkstoff, wie z.B. Gummi,
Kunststoff oder dgl. angeordnet sind, die zwei Funktionen gleichzeitig erfüllen,
nämlich einerseits die Funktion der Feder, die die Segmente 52 nach außen drückt
und andererseits die Funktion einer Abdichtung zwischen den Segmenten 52. Wenn nämlich
diese Blöcke 53 in ihrer axialen Erstreckung so ausgelegt werden, daß sie der axialen
Breite der Druckübertragungssegmente 52 entsprechen, dann dichten diese Teile gemeinsam
den Druckraum 54 nach innen hin ab.
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Es versteht sich, daß in allen Fällen dafür gesorgt werden muß, daß
die Druckübertragungssegmente im Gehäuse ihre Lage in Umfangsrichtung beibehalten,
d.h., daß sie von der drehenden Welle nicht mitgenommen werden können. Zu diesem
Zweck müssen geeignete Verdrehsicherungen vorgesehen sein. In Figur 4 ist eine solche
dargestellt. Sie besteht aus dem Stift 55, der in eine Bohrung des Druckübertragungssegmentes
23 eingesetzt ist und der andererseits in die Ausnehmung 56 des Deckels 21 eingreift,
wobei diese Ausnehmung so ausgebildet ist, daß sie die freie Radialbeweglichkeit
des Druckübertragungssegmentes 23 nicht behindert.
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L e e r s e i t e