DE2757159A1

DE2757159A1 - Expansionsventil

Info

Publication number: DE2757159A1
Application number: DE19772757159
Authority: DE
Inventors: Joseph L Behr
Original assignee: Emerson Electric Co
Current assignee: Emerson Electric Co
Priority date: 1977-01-21
Filing date: 1977-12-19
Publication date: 1978-07-27
Also published as: US4096993A

Description

kmerson !electric, St. Louis, hissouri 631^0, V.St.A.

Expansionsventil

Die Erfindung betrifft elektrisch betätigbare Ventile und insbesondere Expansionsventile, wie sie z.B. bei Kühl- oder Klimaanlagen Anwendung finden.

Eine Kühlanlage weist im allgemeinen einen Verdampfer, einen
Kompressor und einen Verflüssiger auf, Kühldämpfe werden vom \ Verdampfer durch den Kompressor in den Verflüssiger getrieben, : wo der Dampf verflüssigt wird. Die Kühlflüssigkeit wird dann ; zum Verdampfer über ein Expansionsventil zurückgeführt, das des '< Kühlmittel von einer Flüssigkeit hohen Drucks in ein Gas niedrigen Drucks bei seiner Strömung durch eine Drossel im Ventil umformt. Der Betrieb des Ventils wird von einer elektrischen Vor- , j richtung gesteuert. ί

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..s ist oekannt, für obio;e Zwecke elektrische öteuerventilelemente vorzusehen. r,in spezielles, für die Verwendung r;emäß der Erfindung geeignetes Expansionsventil ist aus der US-PS 3 S)6? ?ö1 bekannt, das elektrisch betatigbar ist und ein eine Kammer bildendes Gehäuse aufweist, in der ein Ventilkörper gelagert ist. Der Ventilkörper weist eine öffnung und einen Ventilstößel auf, der beweglich zwischen einer ersten, die Öffnung verschließenden btellung und mindestens einer zweiten, von der öffnung entfernt liegenden Stellung gelagert ist. Eine Anzahl heizelemente sind abwechselnd mit einer Anzahl bimetallischer Elemente in der Gehausekemmer gelagert, so daß bei Anlegen elektrischer Leistung an die Heizelemente eine axiale Ausdehnung der Elemente bewirkt wird. Die Kombination aus Heiz- und Bimetallelementen ist betriebsmäßig mit einem Ventilstößel verbunden, so daß die Ausdehnungsbewegung des Bimetallelementes in axialer hichtung eine Bewegung des Ventilstößels zu seiner zweiten Stellung hin bewirkt.

Das bekannte Ventil eignet sich gut für den beabsichtigten Zweck» Jedoch können bestimmte Faktoren den Betrieb des Ventils in widriger weise in dem besonderen System beeinflussen, in dem das Ventil Anwendung findet. So kann z.B. eine Veränderung der Versorgungsspannung nachteilig auf das Ventil einwirken. Die Bimetallelemente des bekannten Ventils sprechen auf die von dem Heizelement erzeugte Hitze an. Da nach dem Ohmschen Gesetz die Wirkleistung am Ausgang des Heizelementes proportional dem ,uadrat der Eingangsspannung geteilt durch den Widersbandswert

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des Heizelements ist, können äpannungsveränderunfen in mine von plus oder minus zehn Prozent die .virkleistung am Ausgang des Heizelements um ungefähr vierzig Prozent variieren lassen. Solche Schwankungen sind bei vielen Anwendungsfallen unakzeptabel, insbesondere dann, wenn eine genaue Lagesteuerung des Ventils erforderlich ist.

Die Außentemperatur der /entilumgebunjr kann auch den v'entilbetrieb beeinflussen. Z.B. ist es üblich, in Kaufhäusern während der Geschäftszeit für eine erste Temperatur und außerhalb der Geschäftszeit für eine zweite, £erinp;ere Temperatur zu sorgen. In Superraarkteinrichtungen werden folglich Kühlanlagen verwendet, bei denen das bekannte Ventil Anwendung findet und häufip wird die Temperatur im Gebäude während der Nachtstunden verringert und während der Gesch-ftsstunden erhöht. Diese Teiuperatu^veränderungen können bewirken, daß der Ventilausgang sich proportional mit den Veränderungen der Außentemperatur verändert. Zi.B. kann sich bei einem Kühlsystem die Temperatur der durch das Ventil strömende/. Flüssigkeit beträchtlich in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Anlage und der Belastung letzterer verändern .

Es hat sich herausgestellt, daß die Anwendungsnützlichkeit des Ventils nach der US-PS 3 967 781 durch Ausschalten der Wirkung der Außentemperaturen, der Temperaturschwankung des Fluiduiüs und der Spannungsschwankungen gesteigert werden kann, so daß eine im Vergleich zum Staud der Technik nützlichere Vorrichtung

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erzielbar ist. i-ine derartige Verbesserung ist durch eine dem Ventil zuzuordnende, verhältnismäßig billige liegeleinrichtung erzielbar.

Aufgabe der .Erfindung ist es, für ein elektrisch betätigtes i^xpaiisionsventil zu sorgen, das einen Ventilkörper und einen in eineiü Gehäuse angeordneten Ventilstößel aufweist, in dem eine Anzahl Heizelemente und eine Anzahl Bimetallelemente miteinander durchsetzt sind, den Ventilkörper uiafassen und den Ventilstößel zu betätigen νermögen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein elektrisch betiiti^bares Expansionsventil mit einer Einrichtung zum Erfassen der Temperatur der heizelemente und udt einem Hegler, der auf einen vorgewählten Zustand anspricht, die von der Erfassungseinrichtung erfaßten Temperaturen mit dem vorgewählten Zustand vergleicht und auf die Heizelemente einwirkt, um die erfaßten Temperaturen und den vorgewählten Zustand in Übereinstimmung zu bringen.

Zur erzielung eines selbsttätigen Betriebs des Steuerventils isti ein Suuiciierv er stärker mit einem ersten und einem zweiten Eingang vorgesehen, wobei der erste Eingang elektrisch mit einer _; den vorgewählten Zustand darstellenden üezugssignaleinrichtung : und der zweite Eingang elektrisch mit der Erfassungseinrichtung \ verbunden sind, und wobei der Ausgang des Suiamierverstärkers be-i triebsmüßig mit der elektrisch erregbaren Einrichtung verbunden ; ist.

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Die Zuführung des Bezugssignals zum ersten Eingang kann ferner durch jede beliebige Verfahrensreguliereinrichtung erfolgen, die in verbindung init der betätigung des Steuerventils Anwendung findet.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus der Beschreibung der Zeichnung. In letzterer sind:

Fig. 1 die Ansicht eines Schnitts, teilweise weggebrochen, die eine Ausführungsform des erfindungsgemaßen Ventils darstellt,

Fig. 2 eine schaltbildmäßige Ansicht des in Fig. 1 gezeigten /entils,

Fig. 3 die Ansicht eines Blockdiagramms einer das Ventil nach Fig. 1 verwendenden Anlage,

Fig. 4- eine Grundrißansicht einer in Verbindung mit dem Ventil nach Fig. 1 verwendeten xueizkörpereinrichtung,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht, teilweise weggebrochen, der Heizkörpereinrichtung nach Fig. 1, und

Fig. 6 eine schaltbildmäßige Ansicht mit mathematischer Erläuterung des Betriebs des Ventils nach Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform des Ventils 1 weist ein Ventilelement 50 und eine Reguliereinrichtung 60 auf.

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Das /entileleraent ist herkömmlicher Art und entspricht dem in der I¹S-PS 3 967 781 beschriebenen Ventils. Im allgemeinen weist das Ventilelement 50 ein eine Kammer 6 bildendes Außengehäuse 2 auf, das ein Faar Verbindungsstücke 7 und 11 mit ihm einstückig ausgebildet aufweist. Jedes Verbindungsstück 7 und 11 besitzt eine durchgehende, axiale Bohrung, die mit der Kammer 6 kommuniziert. Bei der dargestellten Ausfuhrunrrsforrn bildet das Verbindungsstück 7 einen Einlaß ö für das Ventil 1, wahrend das Verbindungsstück 11 einen Auslaß 12 für das Ventil 1 bildet. Das aehciuse 2 weist auch eine öffnung 9 auf, die einen Zugang zur Kammer 6 für die elektrischen Leiter 10 ermöglicht. Eine geeignete !Dichtung 91 ist zum Isolieren der Leiter 10 gegenüber deu< Gehäuse und zum Abdichten der öffnung 9 gegen eine Flüssigkeitsströmung vorgesehen. Ein Yentilkörper 17 ist in der Kammer gelagert und weist eine durchgehende, axiale Bohrung 20 auf, die iijit dem Einlaß ö an einem Ende kommuniziert und am zweiten Ende zu einer !Drossel 19 ausgebildet ist.

Ein ventilelement 26 weist einen im allgemeinen zylindrischen Abschnitt 27 mit einer durchgehenden axialen Bohrung 2ö auf, die so bemessen ist, daß sie den Ventilkörper 17 im Gleitsitz aufnimmt. Ein Ventilstößel 24 ist am Ventilelement 26 auf beliebige weise gelagert. Der Ventilstößel 24 vermag die !»rössel 19 in mindestens einer Stellung des Ventilelementes 26 zu verschlie*- ßen und ist in einer anderen Stellung des Ventilelementes 26 im Abstand von der Drossel 19 angeordnet. Das Ventilelement 26 weist

eine radiale, durchgehende Bohrung 30 auf, die mit der Bohrung

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2ö kommuniziert. Der Ventilstößel 24 ist in der Zeichnung in seiner geschlossenen Stellung g<

Eine elektrisch betktigbare Einrichtung 35 ist au Ventilkörper 17 gelagert und weist eine ausdehnbare Linrichtunr 4 und eine elektrische Einrichtung 5 auf. .Dei der dargestellten Ausführunpsform weist die ausdehnbare Linrichtung 4 eine Anzahl biraetaiiischer ücheibenpaare 36 auf, die zwischen einer Anzahl von Heizelementen 57» die die elektrische einrichtung 5 bilden, durchsetzt angeordnet sind.

Jedes bimetallische Sctieibenpaor 36 ist in einer Ebene ringförmig und weist eine erste hetallscheibe $8 und eine zweite hetallscheibe 39 niit im wesentlichen unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten auf. Die bcheiben Jb und 39 sind auf beliebige Weise entlang ihrer anexnanderpassenden Kanten verbunden.

Das Heizelement 37 weist, wie am besten aus ii'ig. 4 hervorgeht, vorzugsweise eine Anzahl rin^förmirer Vorrichtungen 40 mit in einem geeigneten Isoliermaterial 13 eingekapselten Vjiderstandseinrichtungen I5 auf. Des heizelement 37 besitzt ein Anschlußende 14, an deni zwei der Leiter 10 an die Widerstandseinrichtung 15 elektrisch angeschlossen sein können. Die '.iiderstandseinrichtung 15 ist so ausgelegt, daß sie eine lieihe von .viderstandsheizelementen 16 bildet. i»ie heizelemente sind zwischen einem Paar dünner Filniflachen 16 aus dem Material 13 getragen, uie i'lüchen 1^ sind entlang ihrer peripheren kanten abgedichtet,

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verkapseln und isolieren die Widers L;andsheizelemente 16. Die rin l'orini:;en vorrichtungen 40 werden dann serpentinenmäßig zusa .mengeialtet, wie aui besten aus der !''ig. 5 hervorgeht, wobei die ocheiben ^6 zwischen aufeinanderfolgenden Gliedern 22 eines so geformten Gebildes angeordnet sind. Die Einheit aus Scheiben und Heizelementen kann über dem Ventilkörper 17 entlang Bohrungen angeordnet werden, die entlang des zentrischen l'eils sowohl der Heizelemente 37» als auch der Scheiben 56 angeordnet sind, üine geeignete Isolation kann zwischen dem Ventilkörper 17 und der elektrisch erregbaren Einrichtung 35 vorgesehen werden.

Eine ±· eder 44 ist zwischen dem Gehäuse 2 und dem Yentilelement 26 vorgespannt und beaufschlagt letzteres zur geschlossenen Stellung des Ventilstößels 24 hin. Die tfeder 44 ist vorzugsweise eine lieritörauiiiche Druckfeder, deren i'ederkonstante so gewählt

ist, doü eine vorbestimmte Federkraft überwunden wird, bevor das Ventilelement 26 und der Ventilstößel 24 aus der in den Zeichnungen dargestellten geschlossenen Stellung bewegt werden. '■

iiie aus der i?ig. 1 hervorgeht, befindet sich die Reihe aus bi- j

metallischen Scheiben 36 und Heizelementen 37 der elektrisch i betatigbaren Einrichtung 3b in einer kraftübertragbaren beZiehung

j zum Ventilkörper 17 und dem Ventilelement 26. Der Ventilbetrieb j ist insoweit herkömmlich, als die Strömung durch das Ventil so lange gedrosselt wird, als die von der Feder 44 ausgeübte Kraft nicht überwunden wird. Die Kraft der Feder 44 wird durch die Funktion der elektrisch betatigbaren Einrichtung 35 überwunden.

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Ein Anlegen elektrischer Energie an die Einrichtung 35 bewirkt, daß die neizeieuente 37 Wärmeenergie abstrahlen, wenn elektrische -nerfvie in dem Element 57 verlorengeht. D.h., die Höhe der an die iieizelemente 37 angelegten Spannung erhöht oder verringert die Wärmezufuhr zu den Scheiben 36. Da die Scheiben 36 aus zwei unterschiedlichen i.etallscheiben 3ö und 39 zusammengesetzt sind, vollzieht sich die Ausdehnung des für die scheiben verwendeten Letalls in unterschiedlichen Aussahen. Die Scheiben 10 werden folglich in bezug zueinander gebogen, d.h. die scheiben werden sich radial ausdehnen, wodurch eine Bewegung des Elementes 26 mit nachfolgendem Offnen oder Schließen des Ventils bewirkt wird.

Die von den scheiben 36 ausgeübte Kraft hängt von der Temperatur des Heizelementes 37» der Temperatur der durch das Ventil strömenden Flüssigkeit und der Temperatur der Umgebung ab_t in der des Ventil 1 arbeitet. Diese Beziehungen sind in Fig. 6 dargestellt. Wie aus dieser Fig. hervorgeht, ist die Kraft F_ß des

, Bimetalls eine Funktion der Temperatur T_ß des Bimetalls mal einer Konstanten K_ß, die eine Funktion in Abhängigkeit von der Wahl des in den Scheiben J>0 und 39 verwendeten Bimetalls ist. Durch die

; Wahl der Bimetelltemperatur als ein Rückkopplungssignel kann \ die Temperatur der Bimetallscheiben 36 T_x. wie folgt bestimmt

"

j werden: T_ß = T_R + Tj₁ + T^, wobei T_fl die vom Heizelement 37 erzeugte Temperatur, T_w die Temperatur der durch das Ventilelement strömenden Flüssigkeit und T. die Außentemperatur sind. T_u ist

ι Α χι

wiederum gleich eK^, wobei e gleich einem i?'ehlersignal ist. Für

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das uehlersir-nal e gilt: e = - T ,K_Q + V_Q, wobei K₀ eine honstente in Abh.nf.igkeit von der Lage des zur Bestimmung der Temperatur des Bimetalls verwendeten I-ießfühlers und V₀ die elektrische Darstellung des Sollwertes des Spannungseingangs der Einrichtung ;>5 darstellen. Bei Einsetzen der Glieder und Anordnen der Variablen und der Annahme, daß K^ viel größer als 1 ist, zeigt sich, daß die Temperatur des Bitnetalls ¹Ig ungefähr rleich den Sollwertspannuncren V₀ ist.

Aus der ü'ic:. 2 geht eine Ausfuhrun~sform zum Durchführen des im /lUsarr.nienhang mit S'ip:· 6 beschriebenen Ergebnisses hervor. Wie aus i'ia;. 2 zu ersehen ist, ist ein iemperaturneßfuhler 4ö betriebsmäßig mit den Bimetallscheiben 36 verbunden und veraas- ein elektrisches Signal zu erzeugen, das die temperatur der Scheiben y6 darstellt. Dieses Signal wird der Keguliereinrichtunß· 60 ein-{•;epeben, die einen Summierverstärker 61 mit einem ersten Einlaß o2 und einem zweiten Einlaß 63 aufweist. Der Einlaß od. ist mit einer Spannungsquelle 64 verbunden, die von jeder beliebigen SpaTjnungsquelle gebildet werden kann. In j?ig. 2 wird sie von eineiü Potentiometer 55 gebildet, das zur Erzeugung des gewünschten Sollwertes des Ventils 1 verwendet wird. Der zweite Eingang 6p des Verstärkers 61 ist mit dem heßfühler 4ö über die Leitung 49 verbunden. Der Ausgang des Surauderverstärkers 61 bildet einen Ein-ang für eine Reihenschaltung von Verstärkern 65 und 66. Der Ausp.anr des Verstärkers 66 ist elektrisch mit dem Heizelement 37 verbunden, hieraus ist ablesbar, daß der Leistungseingang des Heizelementes 3? von der RüCKkopplung der Temperatur der Bime-

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tallscheiben $6 abh-oif yig ist, und daß die Rückkopplung die gangsleistung des Heizelementes 37 zwecks .Regulierung des Betriebes des Ventils 1 variiert. Die Verwendung der iieguiiereinrichtung 60 schaltet die Außentemperatur und die -ieiuperatur der flüssigkeit als raktoren beim betrieb des Ventils 1 aus.

iiach jj'ig. 3 wird eine Vorrichtung; für die Anheizstellung nach Fig. 2 in einer Anlage verwendet, wobei, wie schaltungsbildartig dargestellt ist, eine ^eguliereinrichtung 6ü betriebsmäßig mit einer Einrichtung JG zur Regelung eines Arbeitsvorganges verbunden ist. Die Einrichtung 70 zur Regelung eines Arbeitsvorganges weist einen ersten Eingang 71» der mit einer Spannungsquelle 64 verbunden ist, und einen zweiten Eingang '/2 auf, der mit einem geeigneten heßfühler 73 verbunden ist. i)er heßfühler 73 vermag dem wert jeder beliebigen variablen Größe zwecks Aegulierung der Ventilbetätigung zu folgen. Lie Spannungsquelle 64 wird vorzugsweise von einer Quelle regulierter Leistung gebildet und die einrichtung 70 zur Regelung eines Arbeitsvorganges variiert lediglich den eingang zur iieguliereinrichtung 60 in Übereinstimmung u;it dem von dein Keßfühler 73 gemessenen Zustand.

Die x'Orm des Gehäuses 2 ist beliebig veränderbar. Das gleiche gilt für das in geradliniger Ausführung in den Figuren dargestellte ventil. Die Anzahl der Bimetallelemente 36 oder der heizelemente 37, die in Verbindung mit der elektrisch erregbaren einrichtung 35 verwendbar ist, kann variieren. Die Ineinanderschicutung von Heizelementen und .Bimetallscheiben erweist sich für

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^Situationen als vorteilhaft, in denen die Elemente sich nicht in einer exakten i>eziehunfc zueinander befinden. Zusätzliche heßfühier köi.nen verwendet werden, um den gewünschten Schaltun^spunkt des erfindungsgemäßen Ventils zu erzielen. Das Ventil 1 ist in den jj'iguren als normalerweise geschlossen dargestellt. Es ist jedoch ein .aufbau möglich, bei dem das Ventil normalerweise f-eöffnet ist und bei deir. die an die Einrichtung 35 angelegte elektrische energie dazu dient, das Ventil in seine geschlossene stellung zu bewegen. Die Erfindung erweist sich in vorteilnai'ter ./eise einsetzbar bei '.liartnv/asserheizungen, in der Pneumatik, bei luftbetriebenen Dämpfunj/sregulierunn-en oder anderen einen iiibeitsgang regulierenden Ventilen.

iO/lie

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-AU-

L e e r s e i t e

Claims

,-,lektrisch betdti^bares Jixpansionsventil mit eirieui Ventil-Körper, einem in eineu Gehäuse angeordneten Ventilstößel, mit einer iiiteinander durchsetzten Anzahl heizelemente und jJixetallelemente, die den ventilkörper um.eben und den Ventilstößel bot^tiiv.en können, f-ekennzeichnet durch eine keßl'ühloreinrichtung (^ö) zur tirfassunr- der i'eraperatur der heizeleiiente (i7), und durch einen uegler (6i;), der auf einen vor«:ew-"!ilten i'eiiiperoturzustand ansyricht, die von der ießfühier-Ginrichuun-: (^;k.) erfaßte l'etiiperotur r,iit dem vorgev; Jilten x'einperaturzusiand vergleicht und auf die ι eizeletnente zwecks irzieiun-.·: eines '.'eüperaturouscleichs einwirkt.

:. ijX^üTisionsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß j

uie i.eiaeietiiente von in Abstand zueinander an eordneten Wider-· ybondüheizcienenten (16) ---ebildet sind.

.. r.xoansion^ventii nach Anspruch d_t dadurch gekennzeichnet, daß jeden .iderstandsheizeleraent (16) zwischen einer ersten sowie einer zv.eiten Isolieroberflache an· eordnet ist, wobei die
i.eizelemente umeinander faltbare i'eile aufweisen.

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4. rvxpynsioneveritil nacii .η up men ;i, u.v^uic'i euetm^ciciM;-·; ü , j·'.', die .uiinetallelesiente (!'·'-■) av:it;chen den jliccievn dev idorstundsheizGlciiiente c'Uuctir;· b<. b ...ii oortinat .sind.

i-.xx)ünsioi3svenbil niich aiGocucn ;;■ oder 4, oauurc;: (.:-icoii:.Kv:ic'iinet, cioir ciie ajiü^etoileioiiicnte (;^-) von oinor Anadihi ;iuetulliGcher i^ciiGibenpo^re gebildet. Kind, uobei jc-oo oinzeine Scheibe eines I-ugres zv/isclien den Gliedern der ■ ei^elo (Ί&) an_: eoronct ist.

6. Jixpansionsventil nach einem der vorher*-:.eilenden lu sprüche, dadurch fiekenuzeiclinet, daß der .iegier (üC) einen

erver st irker (&1) usit eine!.· ersten und einen zw it en . ,in-₁-V (62 bzw. b'j) aufweist, doii der erste Uin^'ung ( :■_) on einem den vorgewählten zustand dorstellenden .,esursair ncl (6^) liegt, da^ der zweite Ein; anrc (05) elektrisch i,:it uer i-.elifühlereiririchtung (^o) verbunden ist, und daii ein Aus^an;; des L-iutiiudtrverst^rkers betriebsi::äßig i.iit den j.eizelen.enten (57) verbunden ist.

7· Expansionsventil nach Anspruch 6, dadurch t.ekennzeichnet, das dem Eingang (62) zu^eführte £ezun.-ssifrnal von einer L'in-. richtung (70) zur -ieguüerunE eines Arbeitsvorgan ¹S erzeugt wird, die elektrisch r.dt dem ersten Eingang (62) des fJui.i.ierverstarkers zwecks Erzeu^unp; des i5ezurissi_trnals verbunden ist.

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BAD ORIGINAL COPY

.xpcnsioiisvcntii nach einem üer vor; tiionaen i citentensprüche, ooüurcii rokenηzeichnet, dal.~ der -.ierler (oU) den 1 nistun: sein- - an: der i.ei^eleuiente in ..bereinctiirinunr mit (.^er von deii ; eß-.füi.i±er (4c_0 erfaßten i'suiperstur rereit.

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BAD ORIGINAL

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