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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hochdruckflüssigkeitspumpen
und insbesondere auf Kupplungen für Pumpen mit hin und her beweglichen Kolben.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bei
Hochdruckflüssigkeitspumpen
mit hin und her beweglichen Kolben ist es notwendig, eine Dichtung
rund um den Kolben vorzusehen, um ein Lecken von Hochdruckflüssigkeit
zu vermeiden. In derartigen Pumpen muss die Dichtung in der Lage sein,
in einer Umgebung mit hohem Druck zu arbeiten und Drücken zu
widerstehen, die höher
als 68946 kPa (10,000 psi) und sogar bis und höher als 344738 kPa–482633
kPa (50,000–70,000
psi) liegen.
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Zur
Zeit verfügbare
Dichtungskonstruktionen zum Gebrauch in solch einer Umgebung weisen
eine gegen Extrusion widerstandsfähige Dichtung auf, die von
einem Stützring
getragen wird, wobei der Stützring
und die Dichtung von einem Dichtungsträger gehalten werden. Es ist
indessen sehr schwierig, die Toleranzen für das Spiel zwischen dem Kolben
und dem Stützring
zu erreichen und zu erhalten. Es ist deshalb sehr kennzeichnend,
dass der Kolben und der Stützring
miteinander in Berührung
kommen, wodurch Reibungswärme
entsteht, was wiederum zu einem Versagen der Dichtung führt.
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Ein
weiterer mit den üblichen
Pumpen und Dichtungskonstruktionen verbundener Nachteil besteht
darin, dass der Kolben gegenüber
einer Verlängerungsstange,
mit der er gekuppelt ist und die dem Kolben eine lineare hin und
her gehende Bewegung erteilt, versetzt sein kann. Der Versatz kann
dazu führen,
dass der Kolben an Teilen einen unnötigen Verschleiß hervorruft,
wie zum Beispiel an der Dichtung, die an dem Kolben anliegt, wenn
er sich hin und her bewegt. Der Versatz kann auch zu einem Verbiegen des
Kolbens und schließlich
zu dessen Bruch führen.
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In
dem Patent GB-1 407 874 wird eine Erfindung offenbart, die sich
auf eine Dichtung für
hin und her gehende Kolben oder Kolbenstangen von Pumpen bezieht,
die bei einem sehr hohen Pumpendruck arbeiten. Dieses Dokument des
Standes der Technik lehrt, dass zwischen einer ebenen Fläche und
einer konvexen Fläche
ein kleines wirksames Spiel aufrecht erhalten werden muss. Außerdem lehrt
der genannte Stand der Technik den Gebrauch von Dämpfungsöl zwischen
den zwei Teilen, um eine Berührung
zwischen der ebenen und der konvexen Fläche zu vermeiden. Ein wirksamer
Spalt (a) ist in diesem Dokument sehr wesentlich. Die Vorbereitung
dieses Spaltes ist in der Praxis ein großes Problem. Es muss deshalb
nach einer anderen Lösung
gesucht werden.
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In
dem Europäischen
Patent
EP 0 391 488 A2 wird
eine Dichtungsbaugruppe für
eine Hochdruckpumpe offenbart. Das bei diesem Stand der Technik
eingesetzte Know-how besteht in einem Stützring mit allen seinen Nachteilen.
Es muss deshalb ebenfalls nach einer neuen Lösung gesucht werden.
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Es
besteht deshalb auf diesem Gebiet ein Bedarf nach einer verbesserten
Hochdruckdichtung und einem Kolbenaufbau und insbesondere nach einem
Aufbau, der auf einfache Weise exakt hergestellt werden kann, der
die Standzeit der Dichtung verlängert
und der den Kolben gegenüber
der Dichtung und gegenüber
dem Antrieb, mit dem er gekoppelt ist, ausrichtet. Die vorliegende
Erfindung erfüllt
diese Erfordernisse und erreicht weitere damit verbundene Vorteile.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Kurz
gesagt stellt die vorliegende Erfindung eine verbesserte Kupplung
zwischen einem ersten Element einer Ultrahochdruckpumpe, wobei sich
das erste Element axial entlang einer ersten Achse bewegt, und einem
zweiten Element der Ultrahochdruckpumpe, das sich axial entlang
einer zweiten Achse bewegt, zur Verfügung. Bei einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
weist die Kupplung ein erstes Element auf, das erste und zweite
entgegengesetzt liegende Enden hat und eine axiale Bewegung entlang
einer ersten Achse ausführen
kann, die sich zwischen dem ersten und zweiten Ende erstreckt. Das
erste Element weist einen ersten Kontaktabschnitt auf, der in Richtung
auf das erste Ende zu liegt, wobei der erste Kontaktbereich eine
gerundete, konvexe erste Kontaktoberfläche aufweist. Die Kupplung
weist außerdem
ein zweites Element auf, das ebenso erste und zweite entgegengesetzt
liegende Enden aufweist und eine Bewegung entlang einer zweiten
Achse ausführen
kann, die sich zwischen dem ersten und zweiten Ende des zweiten
Elements erstreckt. Ein zweiter Kontaktabschnitt, der in Richtung
auf das zweite Ende des zweiten Elements zu liegt, hat eine im wesentlichen
ebene zweite Kontaktfläche,
die mit der ersten Kontaktfläche
des ersten Elements in Eingriff steht. Die Schnittstelle zwischen der
ersten und der zweiten Kontaktfläche
richtet die Bewegung des ersten Elements entlang der ersten Achse
gegenüber
der Bewegung des zweiten Elements entlang der zweiten Achse aus.
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Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel
geht das erste Element durch die Bohrung eines Dichtungsträgers. Der
Dichtungsträger
hat eine erste ringförmige
Rille, die konzentrisch zu der Bohrung ist und die eine ringförmige Dichtung
trägt,
wobei eine Endregion der Dichtung von dem Dichtungsträger abgestützt ist.
Der Dichtungsträger
weist ein daran angeform tes ringförmiges Führungslager auf, das in einer
zweiten ringförmigen
Rille des Dichtungsträgers
angeordnet ist, wobei die zweite ringförmige Rille und das darin enthaltene
Führungslager
konzentrisch zu der Bohrung und axial in einem Abstand von der ersten
ringförmigen
Rille und der Dichtung angeordnet sind. Die Bohrung durch den Dichtungsträger ist
deshalb durch einen Innenumfang des Führungslagers, einen Innenumfang
der Dichtung und einen inneren Bereich des Dichtungsträgers definiert,
der zwischen der Dichtung und dem Führungslager angeordnet ist.
Ein Innendurchmesser des Führungslagers
ist kleiner als der Innendurchmesser der Bohrung des Dichtungsträgers in
dem Bereich zwischen der Dichtung und dem Führungslager, wobei das erste
Element daran gehindert wird, mit dem Dichtungsträger in Berührung zu
kommen. Auf diese Weise wird die Dichtung von dem Dichtungsträger gehalten, wobei
der Dichtungsträger
von dem ersten Element durch das Führungslager getrennt ist und
so die Reibungserhitzung verringert und die Lebensdauer der Dichtung
verlängert.
Auch die Materialien für
das Führungslager
und das erste Element werden so ausgewählt, dass die Reibung zwischen
diesen beiden Elementen auf ein Minimum verringert ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch den Aufbau einer Pumpe mit dem Aufbau einer Dichtung und einer
Kupplung, die gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind;
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2 einen
vergrößerten Längsschnitt
des Aufbaus der in 1 gezeigten Dichtung;
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3 einen
Längsschnitt
eines Elements des in den 1 und 2 gezeigten
Dichtungsaufbaus; und
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4 einen
vergrößerten Längsschnitt
der in 1 gezeigten Kupplung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte Hochdruckflüssigkeitsdichtungsbaugruppe 10 vorgesehen,
wie sie in 1 dargestellt ist. Die Dichtungsbaugruppe 10 ist
zum Gebrauch in einer Ultrahochdruckpumpenbaugruppe 22 vorgesehen,
die einen hin und her gehenden Kolben oder ein erstes Element 14 aufweist,
das über
eine Verlängerungsstange
oder ein zweites Element 28 mit einer Antriebsvorrichtung 26 verbunden
ist. Der Kolben 14 bewegt sich in einem Hochdruckzylinder 24 hin
und her, wobei die Dichtungsbaugruppe 10 ein Lecken der Hochdruckflüssigkeit
aus einem Hochdruckbereich 23 innerhalb des Hochdruckzylinders 24 verhindert.
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Insbesondere
weist die Dichtungsbaugruppe 10, wie dies in den 2 und 3 gezeigt
ist, einen Dichtungsträger 12 auf,
der mit einer Bohrung 13 versehen ist, durch die der hin
und her gehende 14 Kolben geht. Der Dichtungsträger 12 weist eine
erste ringförmige
Rille 15 auf, in der eine ringförmige Dichtung 17 angeordnet
ist. Um den Außenumfang
der ringförmigen
Dichtung 17 ist eine ringförmige Elastomerdichtung 25 vorgesehen,
die an der ringförmigen Dichtung 17 am
Beginn eines Druckhubes angreift. Eine Laufbuchse 50, die
innerhalb des Hochdruckbereichs 23 angeordnet ist, enthält eine
Feder 52, die an der ringförmigen Dichtung 17 angreift
und diese gegen die erste ringförmige
Rille 15 drückt,
um im wesentlichen die ringsförmige
Dichtung daran zu hindern, sich aus der ersten ringförmigen Rille
herauszubewegen. Die ringförmige
Dichtung 17 weist einen Flanschbereich 54 auf,
der mit der Feder 52 in Kontakt steht und die Feder im
wesentlichen daran hindert, sich seitlich zu bewegen und den Kolben 14 zu berühren. Der
Dichtungsträger 12 ist
auch mit einem damit fest verbundenen ringförmigen Führungslager 19 versehen,
das in einer zweiten ringförmigen
Rille 16 innerhalb der Bohrung 13 angeordnet ist.
Wie in 3 zu erkennen ist, sind die zweite ringförmige Rille 16 und
das Führungslager 19 mit
einem axialen Abstand von der ersten darin vorgesehenen ringförmigen Rille 15 und
der ringförmigen
Dichtung 17 angeordnet.
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Der
Innendurchmesser 20 des Führungslagers 19 ist
in einem Bereich 11 zwischen der Dichtung 17 und
dem Führungslager 19 kleiner
als der Innendurchmesser 21 der Dichtungsträgerbohrung 13. Zum
Beispiel ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Innendurchmesser
20 0,0127 mm–0,0381 mm
(.0005–.0015
inch) kleiner als der Innendurchmesser 21. Auf diese Weise
ist der Endbereich 18 der ringförmigen Dichtung 17 durch
den Bereich 11 des Dichtungsträgers 12 abgestützt; jedoch
ist der Bereich 11 des Dichtungsträgers 12 bei der angegebenen
Ausbildung des Führungslagers 19 nicht
mit dem Kolben 14 in Berührung.
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Eine
Dichtungsbaugruppe 10, die gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, stützt deshalb die Dichtung 17 direkt
durch den Dichtungsträger 12 ab, weshalb
kein Stützring
mehr notwendig ist. Das angeformte Führungslager 19 hindert
den Kolben 14 daran, mit dem Dichtungsträger 12 in
Berührung
zu kommen, wodurch die Reibungserwärmung in der Nachbarschaft
der Dichtung 17 vermieden ist, was wiederum die Standzeit
der Dichtung erhöht.
Um die Langlebigkeit der Baugruppe 10 zu erhöhen, werden die
Materialien für
diese Bauteile so ausgewählt, dass
die Reibung zwischen dem Kolben 14 und dem Führungslager 19 und
zwischen dem Kolben 14 und der Dichtung 17 auf
ein Minimum verringert ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der Kolben 14 aus teilweise stabilisierter Zirkoniumkeramik
hergestellt, das Führungslager 19 aus
kunstharzimprägniertem
Graphit und die Dichtung 17 aus einem Polyethylen mit einem
ultrahohen Mo lekulargewicht. Es ist jedoch festzustellen, dass verschiedene
Materialien eingesetzt werden können
und dass die Materialauswahl für
die Bauteile gegenseitig voneinander abhängt.
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Um
die Zuverlässigkeit
der Dichtung weiter zu erhöhen,
wird die Dichtungsbaugruppe vorzugsweise dadurch hergestellt, dass
das Führungslager 19 in
dem Dichtungsträger 12 angeordnet
wird und dass die Bohrung durch das Führungslager und durch den Bereich 11 des
Dichtungsträgers
der Dichtung in dem gleichen Arbeitsgang durch spanabhebende Formgebung
durchgeführt
wird. Wie oben diskutiert wurde, wird der Innendurchmesser in dem
Bereich 11 der Bohrung etwas größer als der Innendurchmesser 20 der
Bohrung durch das Führungslager
gebohrt. Durch spanabhebende Formgebung beider Bereiche in dem gleichen
Arbeitsgang wird jedoch die Konzentrizität der Bauelemente verbessert, verglichen
mit den Systemen des Standes der Technik, bei denen die Bauteile
einer Dichtungsbaugruppe unabhängig
voneinander spanabhebend geformt und dann montiert werden.
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Der
Kolben 14 durchdringt das Führungslager 19 und
wird von diesem geführt,
um im wesentlichen eine seitliche Bewegung des Kolbens zu verhindern.
Der Kolben ist über
die Verlängerungsstange 28 mit
der Antriebseinrichtung 26 verbunden, wie dies mit Bezug
auf 1 beschrieben wurde. Die Verlängerungsstange 28 wird
nahe der Antriebseinrichtung durch Wände 29 geführt, die
mit einem Teil der Verlängerungsstange
gleitend in Eingriff sind, um im wesentlichen deren seitliche Bewegung
zu vermeiden.
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Wie
in 4 detaillierter gezeigt wird, sind die Verlängerungsstange 28 und
der Kolben 14 über eine
Kupplung 30 miteinander verbunden. Die Kupplung 30 weist
ein erstes Lagerelement oder einen Bund 32 auf, der durch
einen Presssitz mit einem Endbereich 34 des Kolbens 14 verbunden
ist. Das erste Lagerelement 32 ist mit einer ersten Kontaktoberfläche 36 versehen,
die konvex ausgebildet ist, so dass sie die Tendenz hat sich von
dem Kolben 14 weg nach außen auszubauchen. Ein ganz
außen
liegender Abschnitt 37 der ersten Kontaktoberfläche 36 fluchtet
mit einer Kolbenachse 39, in deren Längsrichtung sich der Kolben
verschiebt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die konvexe
Form der Kontaktoberfläche 36 des
ersten Lagerelements 32 kugelförmig ausgebildet. Bei einem
anderen Ausführungsbeispiel
werden andere Formen eingesetzt unter der Bedingung, dass der ganz
außen
liegende Abschnitt 37 mit der Achse 39 des Kolbens
fluchtet. In einem dieser alternativen Ausführungsbeispiele ist die Kontaktoberfläche 36 konisch
derart ausgebildet, dass der ganz außen liegende Abschnitt 37 der Scheitelpunkt
eines nahezu flachen Konus ist, der mit der Achse 39 des
Kolbens fluchtet.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält das erste
Lagerelement 32 gehärteten
Edelstahl. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das erste
Lagerelement 32 leicht aus dem Endbereich 34 entfernbar
und kann dementsprechend leicht ausgetauscht werden, wenn es abgenutzt
ist. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel bildet
das erste Lagerelement einen Teil des Kolbens 14.
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Die
erste Kontaktoberfläche 36 des
ersten Lagerelements 32 steht mit einer entsprechenden zweiten
Kontaktoberfläche 38 eines
zweiten Lagerelements 40 in Berührung, das an der Verlängerungsstange 28 anliegt.
Die Verlängerungsstange 28 bewegt
sich entlang einer Stangenachse 41 hin und her. Bei einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die zweite Kontaktoberfläche 38 eben
ausgebildet und verläuft
im wesentlichen rechtwinklig zu der Achse 39 des Kolbens
und steht somit nur mit dem ganz außen liegenden Bereich 37 der
ersten Kontaktoberfläche
in Berührung
und überträgt damit
nur entlang der Achse 39 des Kolbens die Bewegung und die
Kraft auf den Kolben 14. Dementsprechend verlaufen die
Kolbenachse 39 und die Stangenachse 41 vorzugsweise
koaxial, um so die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass an der
Schnittstelle zwischen dem Kolben 14 und der Verlängerungsstange 28 nicht
axial gerichtete Kräfte
entstehen.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
das zweite Lagerelement 40 innerhalb einer Öffnung 42 der
Verlängerungsstange 28 angeordnet. Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel
ist das zweite Lagerelement 40 durch andere Mittel mit
der Verlängerungsstange 28 gekoppelt,
die einen Kontakt der zweiten Kontaktoberfläche 38 mit der ersten
Kontaktoberfläche 36 ermöglichen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist das zweite Lagerelement aus einem gehärteten Werkzeugstahl hergestellt
und leicht aus der Öffnung 42 zu
entfernen, so dass es dann, wenn es ausgeschlagen ist, ersetzt werden kann.
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Bei
einem alternativen Ausführungsbeispiel ist
das zweite Lagerelement als Teil der Verlängerungsstange 28 ausgebildet.
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Wie
in 4 gezeigt ist, sind der Kolben 14 und
die Verlängerungsstange 28 so
miteinander verbunden, dass die Verlängerungsstange 28 durch
die Antriebseinrichtung 26 von dem Kolben 14 weggezogen
wird, der Kolben folgt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind der Kolben 14 und die Verlängerungsstange 28 mittels
einer Rückhaltemutter 44 miteinander
verbunden, die in ein Gewinde der Verlängerungsstange eingeschraubt
ist. Die Rückhaltemutter 44 ist
in ein Gewinde 48 eingeschraubt, das in der Öffnung 42 der
Verlängerungsstange 28 angeordnet
ist. Der Kolben 14 wird somit relativ zu der Verlängerungsstange 18 und
durch die Dichtung 19 geführt und bewegt sich somit axial
entlang der Kolbenachse 39. Die Verlängerungsstange ist somit relativ
zu dem Kolben 14 und durch die Wände 29 geführt und
bewegt sich axial entlang der Stangenachse 41. Eine Feder 50 drückt das
erste Lagerelement 32 gegen das zweite Lagerelement 40 und
stellt somit den Kontakt zwischen den Lagerelementen sicher, wenn
sich die Verlängerungsstange 28 hin
und her bewegt. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel werden andere
Mittel eingesetzt, um den Kolben 14 mit der Verlängerungsstange 28 zu
verbinden. In weiteren alternativen Ausführungsbeispielen ist eine Verbindung
zwischen diesen beiden nicht erforderlich, so lange wie der Kolben 14 und
die Verlängerungsstange 28 relativ
zueinander geführt
sind, so dass die Kolbenachse 39 und die Stangenachse 41 koaxial
zueinander sind.
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Ein
Vorteil der in den Figuren gezeigten Kupplung 30 besteht
darin, dass die einander entsprechenden Formen des ersten und zweiten
Lagerelements die in der Verlängerungsstange 28 auftretenden
Kräfte
mit der Bewegungsrichtung des Kolbens 14 und umgekehrt
ausrichten, womit die Wahrscheinlichkeit verringert ist, dass der
Kolben 14 oder die Verlängerungsstange 28 sich
aus ihrer entsprechenden Bewegungsrichtung herausbiegen. Ein weiterer
Vorteil der Kupplung 30 besteht darin, dass durch die Ausrichtung
der von der Verlängerungsstange 28 erzeugten
Kräfte
mit der Bewegung des Kolbens 14 und umgekehrt, die Neigung
sowohl für den
Kolben als auch für
die Verlängerungsstange sich
in einer nicht axialen oder seitlichen Richtung weg von der Kolbenachse 39 oder
der Stangenachse 41 zu bewegen, verringert ist. Dadurch,
dass man die seitliche Bewegung des Kolbens 14 verringert,
wird auch ein unnötiger
Verschleiss des Führungslagers 19 und
der Dichtung 17 verringert. Ein weiterer Vorteil der Kupplung 30 ist,
dass die Lagerelemente 32 und 40 austauschbar
mit dem Kolben 14 bzw. mit der Verlängerungsstange 28 verbunden
sein können.
Wenn eines der beiden Lagerelemente im Lauf des normalen Gebrauchs
stark ausgeschlagen ist, dann kann es leicht ausgetauscht werden,
ohne dass der gesamte Kolben 14 oder die gesamte Verlängerungsstange 28 ausgetauscht
werden muss.