DE3345436A1 - Kanal- und schlitzanordnung fuer ein paar benachbarter zylinder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kanal- und Schlitzanordnung für ein Paar benachbarter Hohlzylinder. Diese Zylinder können eine Vakuumpumpe enthalten oder Teil davon sein.

Die australischen Patentschriften 481 072 und 516 sowie die internationale Patentanmeldung PCT/AU82/00128, alle auf den Namen der Anmelderin lautend, offenbaren verschiedene Formen einer Maschine mit Zylinder und hin- und her-gehendem Kolben, und zwar mit einem Stufenkolben und zwei Arbeitskammern·

Beim praktischen Einsatz dieser Maschine werden gewöhnlich mehrere Zylinder als jeweilige Stufen einer mehrstufigen Pumpe vorgesehen. Eine derartige Maschine eignet sich insbesondere zum Einsatz als mechanische Vakuumpumpe unter Verwendung fester Dichtungsringe oder -manschetten anstelle von Öl oder einem sonstigen flüssigen Schmiermittel. Besonders zweckmäßig ist eine Vier-Zylinder-Anordnung mit einem Paar von parallel geschalteten Hochvakuumzylxndern, die mit einem Paar von Mittel- und Niedervakuumzylindern in Serie zusammengeschaltet sind mit dem Vorteil, daß diese Anordnung gut ausgeglichen ist. Bei den bisher gebauten Pumpen sind die Verbindungen zwischen den Stufen als Deckelkanäle und externe Leitungen ausgeführt, die sich jedoch insbesondere wegen des Vorhandenseins von zwei Arbeitskammern pro Zylinder nicht ohne weiteres auf eine interne Kanal- und Schlitzanordnung übertragen lassen.

Der Erfindung liegt die generelle Aufgabe zugrunde, Nachteile, wie sie bei vergleichbaren Anordnungen nach dem . Stand der Technik auftreten, mindestens teilweise zu beseitigen. Eine speziellere Aufgabe der Erfindung kann darin gesehen werden, eine neuartige Schlitzanordnung zu schaffen, die sich unter anderem in einfacher Weise bei mehrstufigen Vakuumpumpen der in den genannten Patentschriften und der genannten Patentanmeldung offenbarten Art anwenden läßt.

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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet, wobei die Ausgestaltung der Erfindung nach den Ansprüchen 9 und 10 bewirkt, daß das Gas aus der Arbeitskammer vor dem Kolben entleert wird, während dieser seinen Vorwärtshub beendet, und daß anschließend während des Ruckwärtshubes der gesamte Inhalt der Abgasseite einschließlich der hinteren Arbeitskammer an die nächste Stufe oder ein Ausstoßventil gedrückt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen zweiachsigen Querschnitt durch ein Paar von Zylindern für die Hochvakuumstufe einer Vakuumpumpe der in der internationalen Patentanmeldung PCT/AU82/OO128 offenbarten Art, ausgestattet mit einer Kanal- und Schlitzanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Kolben in ihren Stellungen

gezeigt sind;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Zylinder bei entferntem Zylinderkopf, gesehen in Richtung 2-2 nach Fig. 1; Fig. 3 einen Querschnitt durch den Zylinderkopf längs der Linie 3-3 in Fig. 1;

Fig. 4 einen geknickten Querschnitt längs der Durchmesserlinien 4-4 in Fig. 2;

Fig. 5 eine der Fig. 3 ähnliche Darstellung einer Schlitzanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 6 eine schematische Darstellung für eine Vier-Zylinder-Vakuumpumpe unter Verwendung der Erfindung. Die beiden in Fig. 1 dargestellten Kolben-Zylinder-Einheiten 12, 12' sind für Parallelbetrieb als Hochvakuumstufe 5 10 einer Vorvakuumpumpe bestimmt. Die auf einem Kurbelgehäuse

11 montierten Einheiten 12, 12' sind im wesentlichen identisch, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen, für die Einheit 12' zusätzlich mit einem Apostroph versehen sind. Im einzelnen soll jedoch nur die Einheit 12 beschrieben werden, die einen in einem hohlen Metallzylinder 17 über

eine Kolbenstange 22 hin- und herbewegten Kolben 16 aufweist. Einzelheiten der Zylinderkonstruktion sind für die vorliegenden Zwecke ohne Bedeutung und daher nicht dargestellt. Kolben 16 und Zylinder 17 sind beide gestuft. Der Kolben 16 besteht aus einem Hohlkörper 16a und einem Deckel 1 6b und weist einen Kopf 24 mit verhältnismäßig großem Durchmesser und einer von dem Deckel 16b definierten Stirnfläche 25 sowie einen hinteren Mantel 26 mit kleinerem Durchmesser auf. Der Zylinder 17 weist einen eine ringförmige Stirnfläche 23 bildenden Abschnitt 29 mit verhältnismäßig großem Durchmesser, in dem der Kopf 24 des Kolben 16 gleitet, ■ sowie einen daran anschließenden, jedoch einen geringeren Durchmesser aufweisenden Abschnitt 31 zur Aufnahme des Kolbenmantels 26 auf. Zwischen den beiden Zylinderabschnitten 29, 31 besteht eine ringförmige Schulter 32, die einer entsprechenden ringförmigen Kolbenfläche 27 gegenüber steht. Somit ist eine Stufenkolbenanordnung gegeben, wobei der Zylinder eine vordere zylindrische Arbeitskammer und eine hintere ringförmige Arbeitskammer bildet. In Fig. 1 und 4 ist der Kolben 16 in seiner oberen Totlage und der Kolben 16¹ in seiner

unteren Totlage dargestellt, wobei in diesem Moment nur die vordere zylindrische Kammer 33' und die hintere ringförmige Kammer 34 Arbeitskammern mit nennenswertem Volumen darstellen. Die Kolbenteile 24, 26 sind mit Büchsen 36 bzw. 38 aus Bronze-verstärktem Polytetrafluorethylen (PTFE) versehen, die den Ringraum zwischen den Kolbenteilen und den jeweiligen Zylinderabschnitten 29 bzw. 31 anstelle von öl oder einem sonstigen Schmiermittel im wesentlichen abdichten. Diese Büchsen oder ähnliche Gebilde sind unter Längs- und Umfangszug auf die Zylinderflächen der jeweiligen Kolbenteile aufgebracht.

Die beiden Zylinder 17, 17' werden von einem gemeinsamen abnehmbaren Metalldeckel oder Kopf für die Stirnflächen 23, 23' überbrückt. Der Kopf schließt die vorderen zylindrischen Arbeitskammern 33, 33' ab, ist jedoch jeweils mit gestuften Auslaßschlitzen 42, 42' versehen. Die Schlitze 42, 42' sind durch Abdeckplatten 41 verschlossen und mit Einwegventilen 44, 44' (Fig. 1) ausgestattet, die ihren Sitz an Schultern 45, 45' in den Schlitzen haben. Diese Ventile sind in Fig. 3 nicht gezeigt, um die Zeichnung nicht unnötig zu komplizieren. Die Einwegventile gewähren Lufteintritt in die vorderen Arbeitskammern 33, 33'.

Die erfindungsgemäße bevorzugte Kanal- und Schlitzanordnung umfaßt mehrere Längskanäle 50 (Fig. 1 und 2) und 51 (Fig. 2 und 4),die in den Wandungen der beiden Zylinder 17, 17' im Längsrichtung parallel zu den Zylinderachsen, jedoch unter einem kleinen Winkel zur Vertikalen verlaufen. Schlitze 52 (Fig. 1) und 53 (Fig. 3) verbinden die Kanäle 50 bzw. 51 mit zu den Innenräumen der Zylinder offenen inneren Nuten 52a bzw. 53a. Ferner vorgesehen sind mehrere bogenförmige Aussparungen 53, 54 in den Zylinderstirnflächen 23, radial verlaufende Leitungen 56 und 57 (Fig. 3 und 4) im Kopf 40, die mit den Aussparungen 54, 55, 54' und 55' einen bestimmten Verbindungsaufbau bilden, sowie einheitliche Dichtungen 58, 58' (am besten aus Fig. 2 ersichtlich), die zwischen den Zylindern 17, 17' und dem Kopf 40 gehalten sind und jeweils die eine Aussparung jedes Paares von Aussparungen gegenüber der anderen Aussparung des selben Paares abdichten.

Die in Längsrichtung verlaufenden Kanäle gehören zu zwei verschiedenen Gruppen. Die Kanäle 50 im Zylinder 17 (bzw. 50' im Zylinder 17' ) bilden eine Gruppe von (gemäß der Darstellung fünf) im Bogen verteilten Einlaßkanälen, die mit dem Innenraum des Zylinders 17 über die Schlitze (Fig. 1) an einer Zwischenposition in Verbindung stehen, so daß die Schlitze 52 bei der Hin- und Herbewegung des Kolbenkopfes 24 kurzzeitig freigegeben werden, so daß durch die Schlitze Gas in die Arbeitskammer 33 vor dem Kolben eintreten

kann- Demgegenüber öffnen sich für die nachstehend noch verdeutlichten Zwecke die Schlitze 53 (Fig. 4) für die Kanäle 51 (bzw. 51' im Zylinder 17') der anderen Gruppe (für die zwei dargestellt sind) ins innere des Zylinders am hinteren Ende, so daß sich jeder Schlitz 53 in die ringförmige Arbeitskammer 34 hinter dem Kolben öffnet.

Gemäß Fig. 2 sind die Aussparungen 54 und 55 in den Stirnflächen 23 der Zylinder so gestaltet, daß jede Aussparung 54, 55, 54' und 55· mit der jeweiligen Gruppe von Kanälen 50, 51, 50' bzw. 51' in Verbindung steht. Eine Dichtung um jede der vier Aussparungen wird von den Dichtungen 58, 58' vermittelt, deren jede ein Paar von über einstückig angeformte radiale Stege 66 überbrückten konzentrischen Ringen 64, 65 enthält, wobei die gesamte Dichtung in einer passenden Konfiguration von Nuten 68 in der jeweiligen Endfläche 23, 23' des betreffenden Zylinders gehalten ist. Wie ersichtlich, haben die bogenförmigen Aussparungen 54, 55 eine radiale Breite, die etwas kleiner ist als der Abstand zwischen den Ringen 64, 65 jeder Dichtung, und die Stege 66 jeder Dichtung werden vorsichtig angeordnet, so daß sie die Aussparungen und Gruppen von Kanälen 50, 51 abdichtend voneinander trennen.

Die Leitungen 56 (Fig. 3) verlaufen von einer gemeinsamen öffnung 56a an der einen Seite des Kopfes 40 zu jeweiligen Sacklöchern 70, 70¹, die an der Unterseite des Kopfes ausgebildet sind und eine Verbindung zwischen der zugehörigen Leitung 56 und einer jeweiligen Aussparung 54, 54' bilden. Die Leitungen 57 bilden ein symmetrisches Gegenstück zu den Leitungen 56 an der anderen Seite des Kopfes mit einer gemeinsamen öffnung 57a und Sacklöchern 71, 71 ·; sie stehen

,0 jedoch mit den Aussparungen 55, 55' in Verbindung und verlaufen nach innen zu den Auslaßschlitzen 42, 42'. Bei der vorliegenden Anwendung der erfindungsgemäßen Kanal- und Schlitzanordnung sind die öffnungen 56a

und 57a durch Platten 7 2 bzw. 73 verschlossen. Der Einlaß S5 zu den Leitungen 56 erfolgt über eine kreisförmige Ausnehmung

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74 in der oberen Fläche des Kopfes 4, die über einen seitlichen Schlitz 76 mit dem Verbindungspunkt der Leitungen

56 strömungsmäßig verbunden ist. Der Auslaß von der Leitung

57 erfolgt über einen nach unten verlaufenden Ansatz 7 5 an einem der Kanäle 51.

Wie bereits erwähnt, ist das gezeigte Paar von Einheiten 12, 12' zum parallelen Einsatz als Hochvakuumstufe 10 einer Vier-Zylinder-Vakuumpumpe bestimmt. In dem in Fig. 6 scheraatisch dargestellten fertigen Zusammenbau (wobei in Fig. 6 gleiche Teile jeder Stufe mit gleichen Bezugszeichen und entsprechenden Apostrophen versehen sind) ist eine Einlaßleitung von dem zu evakuierenden Gefäß mit dem Ausnehmung 74 im Kopf 40 gekoppelt. Der Auslaß-Ansatz 7 5 steht mit der dritten, Zwischenvakuum-Stufe 10' über eine Leitung 78 in Verbindung, die schräg durch das Kurbelgehäuse 11 verläuft. Der Auslaß des Zylinders 12' der Stufe 10' ist mit dem Einlaß des vierten Zylinders 12"' verbunden, während die Niedervakuumstufe 10" ihrerseits ihren Auslaß bei 75" an die Atmosphäre hat. Die Kanal- und Schlitzanordnung des Zylinderpaars 12", 12"' ist mit dem der Zylinder 12, 12' ähnlich mit Ausnahme der Tatsache, daß in dem Kopf 40" nur eine Querverbindung vorliegt, nämlich zwischen einer Auslaß-Aussparung 55" des Zylinders 12" und einer Einlaß-Aussparung 54"' des Zylinders 12"' . Ein abschließendes Einweg-Auslaßventil 90 öffnet sich von dem hinteren Ringraum des Zylinders 12"'.

Beim Betrieb der Pumpe arbeiten die Kolben 16, 16' gegenphasig. Am unteren Ende jedes Kolbenhubes wird von der Einlaßleitung über die Ausnehmung 74, die Leitungen 56, die Aussparungen 54, 54', die Längskanäle 50, 50' und die Schlitze 52, 52' Luft in die Arbeitskammern 33, 33' eingelassen. Bei dem nach oben führenden Rückkehrhub wird diese Luft durch die Auslaßschlitze 42, 42' ausgestoßen. Beim Abwärtshub arbeitet der Kolben mit der (nicht gezeigten) dritten Stufe zusammen, wobei Luft von dem die Arbeitskammer

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34, die Kanäle 51, 51', die Aussparungen 55, 55', die Leitungen 57 und die Überführungskanäle 74, 7 9 umfassenden Abgasraum überführt wird.

Die oben beschriebene Anordnung stellt eine besonders saubere und kompakte Lösung für die Kanal- und Schlitzanordnung eines Paares von Zylindern dar, deren jeder einen Stufenkolben und zwei Arbeitskammern aufweist.

Fig. 5 zeigt eine andere Leitungskonfiguration in einem modifizierten Kopf 140 für Zylinder 117, 117'. In diesem Fall sind die bogenförmigen Aussparungen 154, 155 in der unteren Fläche des Kopfes in Ausrichtung mit Kanälen 150, 151 vorgesehen. Anstelle der Leitungen 56, ist der Kopf mit einem Paar von oberen ringförmigen Öffnungen 156, 157 in der oberen Fläche des Kopfes 140 sowie radial gerichteten flachen Überführungskanälen 182, 183 versehen. Die Öffnungen 156, 157 dienen zwei Zwecken. Zum einen sind sie in der oberen Fläche des Kopfes 140 an einer zentralen Stelle und mit ausreichender Tiefe vorgesehen, um Ausnehmungen 156a, 157a zu bilden, die die entsprechenden Aussparungen 154, 154', 155 und 155* durchsetzen, so daß die Aussparungen 154, 155 oberhalb des Zylinders 117 über die Ausnehmungen 156a, 157a jeweils mit den Aussparungen 154', 155' oberhalb des anderen Zylinders 117' in Verbindung stehen. Zum anderen lassen sich die Öffnungen 156, 157 leicht an externe Bauteile wie etwa Zu- und Abführleitungen

anschließen. Ferner ist die Ausnehmung 157 mit Aus.laßschlitzen 142, 142' durch Überführungskanäle 182, 183 verbunden, die als von den Auslaßschlitzen 142, 142' und der Öffnung 157 ausgehende überschneidende Segmentschnitte gebildet sind.

Die Öffnungen 156, 157 haben innerhalb des von den Außenabmessungen des Kopfes vorgegebenen Rahmers maximalen Durchmesser, um die Verbindung mit den jeweils angeschlossenen Gruppen von Aussparungen 154, 154 * und 155, 155' dadurch 5 zu optimieren, daß der Strömungswiderstand zwischen den

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Aussparungen und Leitungen bzw. sonstigen an die öffnungen 156, 157 angeschlossenen Bauteilen möglichst klein gehalten wird Dieses Merkmal dürfte dann zweckmäßig sein, wenn die Zylinder als Vakuumpumpe oder Teil davon arbeiten. Eine weite Öffnung zwischen der Ausnehmung 156a und den Aussparungen 154, 154' erleichtert raschen Lufteinlaß während der kurzzeitigen Freigabe der Schlitze 152.

Wie ersichtlich, weisen die oben erläuterten Kanal- und Schlitzanordnungen zahlreiche Einzelheiten auf, die für das Prinzip der Erfindung nicht wesentlich sind. Zu diesen Einzelheiten gehören die spezielle Form und Anordnung der Leitungen, Kanäle, Schlitze und Dichtungen, die Anzahl und Anordnung der Längskanäle 50, 51 sowie die Mittel, durch die diese Kanäle mit dem Innenraum der Zylinder in Verbindung stehen. Bezüglich der Dichtungen kann anstelle der gezeigten einheitlichen Dichtung in jedem Fall auch ein Paar von Dichtungsringen vorgesehen sein, von denen einer um eine Aussparung und der andere um beide Aussparungen herumgelegt ist.

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Claims (11)

•f ATf^'f AN3WÄLTE -'-..* ? ^ Λ R Λ Ί R STREHL SCHUBEL-HOPF SCHULZ ^^ WIDENMAYERSTRASSE 17, D-8000 MÜNCHEN 22 Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization DEA-26 345 15. Dezember 19 83 Kanal- und Schlitzanordnung für ein Paar benachbarter Zylinder ANSPRÜCHE

1. Kanal- und Schlitzanordnung für ein Paar benachbarter hohler Zylinder, mit

jeweils einer Vielzahl von Kanälen (50, 51), die in den Wandungen der Zylinder (17) in Längsrichtung verlaufen, und Schlitzen (52, 53), die die Kanäle (50, 51) mit dem Innenraum des jeweiligen Zylinders (17) verbinden, gekennzeichnet durch einen Zylinderkopf (40),

mehrere Aussparungen (54, 55), die bei aufgesetztem Zylinderkopf (40) jeweils mit einem getrennten Kanal (50, 51) oder einer Gruppe dieser Kanäle in Verbindung stehen, wobei ein Paar dieser Aussparungen (50, 51) jedem Zylinder (17) zugeordnet und mindestens eine Aussparung (54) jedes Paares auch mit einer Aussparung (54¹) des anderen Paares über eine

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in dem Kopf (40) verlaufende Leitung (56) in Verbindung steht, und

eine zwischen den Zylindern (17)-und dem Kopf (40) gehaltene Dichtung (58), die jede Aussparung (54) jedes Paares gegenüber der jeweils anderen Aussparung (55) des gleichen Paares von Aussparungen abdichtet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Zylinderkopf (40) mit einer öffnung (74) versehen ist, die mit den verbundenen Aussparungen (54, 54') zur Zu- oder Abfuhr von Strömungsmittel zu bzw. vom Innenraum der Zylinder (17) in Verbindung steht.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß beide Aussparungen (54, 55 ) jedes Paares mit den jeweiligen Aussparungen (54', 55') des anderen Paares in Verbindung stehen.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Aussparungen (54, 55) als bogenförmige Vertiefungen in den Stirnseiten der Zylinderwandungen ausgebildet sind.

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5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Aussparungen (154, 155) als Vertiefungen in der unteren Fläche des Zylinder-

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kopfes (140) jeweils in Ausrichtung mit den getrennten, an den entgegengesetzten Stirnflächen (23) der Zylinderwandungen sich öffnenden Kanäle (50, 51) bzw. Kanalgruppen ausgebildet sind.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die bzw. jede Verbindung zwischen den Aussparungen (54, 55) ein Paar von im Zylinderkopf (40) radial zu den jeweiligen Zylinderachsen verlaufenden Leitungen (56, 57) umfaßt.

7. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Öffnung eine in der oberen Fläche des Zylinderkopfes (140) angeordnete Ausnehmung (156) umfaßt, die so tief ausgebildet ist, daß sie mit den jeweiligen Aussparungen (154, 154') in Verbindung steht und somit auch die Verbindung (156a) zwischen den Aussparungen (154, 154') bildet.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Dichtung eine einstückige Dichtung (58) für jeden Zylinder (17) mit einem Paar von zu dem jeweiligen Zylinder (17) im wesentlichen koaxialen konzentrischen Ringen (64, 65) umfaßt, wobei diese Rinoe (64, 65) zur Trennung der Aussparungen (54, 55) über mehrere angeformte Stege (66) miteinander

verbunden sind.

9. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Schlitze (52) für die mit den verbundenen Aussparungen (54) in Verbindung stehenden Kanäle (50) sich zum Innenraum der Zylinder (17) jeweils an Zwischenstellen öffnen, so daß jeder Schlitz (52) von einem in dem Zylinder (17) hin- und herbewegbaren Kolben (16) zum Einlaß von Gas durch die Schlitze (52) vor dem Kolben (16) kurzzeitig freigegeben wird, wobei die andere Aussparung (55) jedes Paares über eine im Zylinderkopf (40) vorgesehene Leitung (57) mit einem Auslaßschlitz (42) im Zylinderkopf in Verbindung steht, der mit dem Innenraum des Zylinders (17) direkt verbunden, jedoch mit einem Einweg-Auslaßventil (44) versehen ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die der anderen Aussparung (55) jedes Paares zugeordneten Schlitze (53) sich in eine ringförmige Arbeitskammer (3 4) im Innern des Zylinders (17) hinter dem Kolben (16) öffnen, so daß zwischen dem Auslaßschlitz' (42) vor dem Kolben (16) und der ringförmigen Arbeitskammer (34) hinter dem Kolben (16) eine ventilgesteuerte Verbindung besteht.

11. Verwendung der Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für jedes von zwei Paaren von Zylindern einer Vier-Zylinder-Vakuumpumpe, wobei die Zylinder (17, 17') eines

der beiden Paare parallel geschaltet sind und im Betrieb der Pumpe als Hochvakuumstufe dienen, während die anderen beiden Zylinder (17¹¹, 17'¹') miteinander und mit der
Hochvakuumstufe in Serie geschaltet sind und als Nieder- bzw. Zwischenvakuuinstuf en dienen, und wobei ein Paar der verbundenen Aussparungen in der Hochvakuumstufο mit der
Aussparung der Zwischenstufe über eine die Kanäle in beiden Stufen verbindende Leitung (78) in Verbindung steht.

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