WO2023062069A1 - Luftverdichter - Google Patents

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WO2023062069A1
WO2023062069A1 PCT/EP2022/078383 EP2022078383W WO2023062069A1 WO 2023062069 A1 WO2023062069 A1 WO 2023062069A1 EP 2022078383 W EP2022078383 W EP 2022078383W WO 2023062069 A1 WO2023062069 A1 WO 2023062069A1
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Inventor
Daniel Fischer
Tobias Reinhard OTT
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Robert Bosch Gmbh
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    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/4206Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for elastic fluid pumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08Centrifugal pumps
    • F04D17/10Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00Pumping installations or systems
    • F04D25/02Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/06Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven

Definitions

  • the invention relates to an air compressor with a compressor wheel, which can be rotated about an axis of rotation in a compressor housing with a diffuser and a compressor volute, which delimits a flow channel for an air flow.
  • the air compressor is preferably driven electrically and is used in a fuel cell system to supply at least one fuel cell with air.
  • a fuel cell system with a fuel cell, an air supply line for supplying an oxidizing agent into the fuel cell and an exhaust gas line for removing the oxidizing agent from the fuel cell is known from the German patent application DE 10 2017 212 815 A1, the fuel cell system having a turbomachine with an impeller which is Compressor is executed, which is arranged in the air supply line, wherein, in order to optimize the cooling of the turbomachine, not already heated, compressed air from the impeller is used, but cooled, uncompressed air is sucked in from the opposite direction.
  • the object of the invention is to provide an air compressor with a compressor wheel in a compressor housing with a diffuser and a compressor volute that delimiting a flow channel for an air flow rotatable about an axis of rotation.
  • the object is achieved in an air compressor with a compressor wheel, which can be rotated about an axis of rotation in a compressor housing with a diffuser and a compressor volute, which delimits a flow channel for an air flow, in that the compressor volute has a cooling air discharge, via which a cooling air flow from the air flow in the compressor volute is diverted.
  • the air compressor is an electrically driven air compressor which is used in a fuel cell system to supply at least one fuel cell with air.
  • the compressor wheel is driven by an electric motor. With the help of the driven compressor wheel, air is sucked in, for example from the environment. The sucked-in air reaches the compressor volutes via the diffuser, where the pressure increases due to the design.
  • compressed air can be branched off from the air flow via the cooling air discharge at the compressor volute.
  • An advantageously high pressure can thus be made available at a cooler inlet.
  • the cooling air flow that has been branched off can be cooled in a cooler, which is designed as a heat exchanger. Cooling water from a stator cooler, for example, is used as the cooling medium.
  • a preferred exemplary embodiment of the air compressor is characterized in that the cooling air discharge has at least one cooling air duct, which starts from the compressor volute. Due to the higher pressure potential in the compressor volute, advantageously more cooling air can be conveyed than with conventional air compressors.
  • a further preferred exemplary embodiment of the air compressor is characterized in that the cooling air duct starts from an outlet section of the compressor volute.
  • the compressor volute includes, for example, a rotation space that is designed essentially in the form of a spiral or snail.
  • the compressed air can advantageously be branched off for cooling purposes via the outlet section, without affecting the efficiency of the air compressor undesirable to reduce.
  • the exit section is also called the exit diffuser.
  • cooling air duct is arranged closer to a branch than to an end of the discharge section of the compressor volute.
  • the rotation space of the compressor volute ends at the junction.
  • the compressed air flow exits at the end of the exit section.
  • the proximity of the cooling air discharge to the branch provides, among other things, the advantage that the air flow through the compressor volutes is not adversely affected, or is only slightly adversely affected.
  • the branch is also known as a tongue.
  • Another preferred exemplary embodiment of the air compressor is characterized in that the cooling air duct is aligned along a swirling flow through the compressor volutes in the outlet section.
  • the existing swirl flow can advantageously be used for the removal of cooling air, specifically particularly advantageously with little or no negative effect on the efficiency of the air compressor.
  • cooling air duct is designed as a bore in the outlet section of the compressor volute.
  • the bore can be produced simply and cost-effectively in terms of manufacturing technology.
  • Another preferred exemplary embodiment of the air compressor is characterized in that a longitudinal axis of the cooling air duct encloses an acute outlet angle with an auxiliary line that extends parallel to the axis of rotation of the compressor wheel through a cross section of the outlet section.
  • the air flow of the compressor volutes it has proven to be particularly advantageous to align the cooling air duct essentially radially inwards.
  • the cooling air duct opens into an annular duct.
  • the exit angle is greater than twenty degrees and less than fifty degrees. This ensures that the twisted flow can flow into the cooling air duct with as little loss as possible.
  • a further preferred exemplary embodiment of the air compressor is characterized in that the cooling air discharge has a plurality of cooling air ducts which emanate from the compressor volute and have the same duct diameter.
  • the same drill bit can advantageously be used to implement a number of cooling air ducts in the compressor volute. This simplifies the manufacture of the air compressor.
  • the invention also relates to a compressor housing, in particular a compressor volute, for an air compressor as described above.
  • the compressor housing in particular the compressor volutes, can be traded separately.
  • FIG. 1 shows a perspective representation of an electrically driven air compressor with a compressor volute which has a cooling air discharge
  • FIG. 2 shows a flow negative of an air flow through a compressor housing of the air compressor from FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a partially transparent representation of the air compressor from FIG. 1 with three flow paths of a cooling air flow, which is aligned along a swirling flow through the compressor volutes; and
  • FIG. 4 shows a section through the flow negative shown in FIG. 2 in order to illustrate exit angles between flow paths and an auxiliary line.
  • the air compressor 1 in FIG. 1 comprises a compressor wheel 2 which is arranged in a compressor housing 3 so that it can rotate about an axis of rotation.
  • the drive for the compressor wheel 2 comprises an electric motor, for example.
  • the compressor housing 3 includes a diffuser 4 which is arranged radially outside of the compressor wheel 2 within a compressor volute 5 .
  • the compressor volute 5 is equipped with a through hole 6 which serves to provide a cooling air discharge 10 on the compressor volute 5 .
  • the through hole 6 for showing the cooling air discharge 10 is arranged in an outlet section 9 of the compressor volute 5 .
  • the outlet section 9 starts from a snail-like or spiral-shaped rotation space 8 of the compressor volutes 5 .
  • FIGS. 2 and 4 a flow negative of an air flow through the compressor volute 5 of the compressor housing 3 from FIG. 1 is shown in different views.
  • the cooling air discharge 10 includes three cooling air ducts 11, 12, 13, which are designed as bores in a housing material that is used to represent the compressor housing 3 with the compressor volute 5.
  • the cooling air ducts 11, 12 and 13 all have the same diameter and extend parallel to one another.
  • the cooling air ducts 11 to 13 extend obliquely downwards from the outlet section 9 in FIG.
  • a distance between the cooling air ducts 11, 12, 13 and a branch 14 is significantly smaller than a distance between the cooling air ducts 11, 12, 13 and an end 15 of the outlet section 9 of the compressor volutes 5.
  • the compressor housing 3 with the compressor volute 5 and the outlet section 9 is shown partially transparent to a flow of cooling air 20, which is diverted from an air flow generated by the rotating compressor wheel 2 in the compressor housing 3.
  • the shape of the compressor volute 5 results in a swirl flow 24 which is divided into three flow paths 21 , 22 , 23 due to the design and arrangement of the cooling air ducts 11 to 13 .
  • an auxiliary line 34 is drawn, which is arranged parallel to the axis of rotation of the compressor wheel.
  • An exit angle 35 between the auxiliary line 34 and the flow path 21 of the branched flow of cooling air has a degree of twenty-five degrees.
  • Exit angle 36 between the auxiliary line 34 and the flow path 23 of the cooling air flow has a degree of forty degrees.
  • the cooling air flow branched off via the flow paths 21 to 23 is advantageously fed to an annular duct.
  • the branched-off cooling air is then fed from the annular duct, for example, to the cooler which is integrated into the air compressor 1 .

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Luftverdichter (1) mit einem Verdichterrad (2), das in einem Verdichtergehäuse (3) mit einem Diffusor (4) und einer Verdichtervolute (5), die einen Strömungskanal für eine Luftströmung begrenzt, um eine Drehachse drehbar ist. Um den Luftverdichter (1) funktionell zu verbessern, weist die Verdichtervolute (5) eine Kühlluftabführung (10) auf, über die eine Kühlluftströmung von der Luftströmung in der Verdichtervolute (5) abgezweigt wird.

Description

Beschreibung
Titel
Luftverdichter
Die Erfindung betrifft einen Luftverdichter mit einem Verdichterrad, das in einem Verdichtergehäuse mit einem Diffusor und einer Verdichtervolute, die einen Strömungskanal für eine Luftströmung begrenzt, um eine Drehachse drehbar ist.
Der Luftverdichter ist vorzugsweise elektrisch angetrieben und dient in einem Brennstoffzellensystem zur Versorgung mindestens einer Brennstoffzelle mit Luft.
Stand der Technik
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2017 212 815 Al ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einer Luftzuführungsleitung zum Zuführen eines Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle und einer Abgasleitung zum Abführen des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle bekannt, wobei das Brennstoffzellensystem eine Turbomaschine mit einem Laufrad aufweist, das als Verdichter ausgeführt ist, der in der Luftzuführungsleitung angeordnet ist, wobei, um die Kühlung der Turbomaschine zu optimieren, nicht bereits erwärmte, verdichtete Luft vom Laufrad verwendet wird, sondern aus der entgegengesetzten Richtung gekühlte, unverdichtete Luft angesaugt wird.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Luftverdichter mit einem Verdichterrad, das in einem Verdichtergehäuse mit einem Diffusor und einer Verdichtervolute, die einen Strömungskanal für eine Luftströmung begrenzt, um eine Drehachse drehbar ist, funktionell zu verbessern.
Die Aufgabe ist bei einem Luftverdichter mit einem Verdichterrad, das in einem Verdichtergehäuse mit einem Diffusor und einer Verdichtervolute, die einen Strömungskanal für eine Luftströmung begrenzt, um eine Drehachse drehbar ist, dadurch gelöst, dass die Verdichtervolute eine Kühlluftabführung aufweist, über die eine Kühlluftströmung von der Luftströmung in der Verdichtervolute abgezweigt wird. Bei dem Luftverdichter handelt es sich um einen elektrisch angetriebenen Luftverdichter, der in einem Brennstoffzellensystem zur Versorgung mindestens einer Brennstoffzelle mit Luft dient. Im Betrieb des Luftverdichters wird das Verdichterrad durch einen Elektromotor angetrieben. Mit Hilfe des angetriebenen Verdichterrads wird Luft, zum Beispiel aus der Umgebung, angesaugt. Die angesaugte Luft gelangt über den Diffusor in die Verdichtervolute, wo der Druck konstruktionsbedingt zunimmt. Über die Kühlluftabführung an der Verdichtervolute kann vorteilhaft verdichtete Luft von der Luftströmung abgezweigt werden. So kann an einem Kühlereintritt ein vorteilhaft großer Druck zur Verfügung gestellt werden. Die abgezweigte Kühlluftströmung kann in einem Kühler, der als Wärmetauscher ausgeführt ist, abgekühlt werden. Als Kühlmedium wird zum Beispiel Kühlwasser eines Stator- Kühlers verwendet.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftabführung mindestens einen Kühlluftkanal aufweist, der von der Verdichtervolute ausgeht. Durch das höhere Druckpotential in der Verdichtervolute kann vorteilhaft mehr Kühlluft gefördert werden als bei herkömmlichen Luftverdichtern.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluftkanal von einem Austrittsabschnitt der Verdichtervolute ausgeht. Die Verdichtervolute umfasst zum Beispiel einen Rotationsraum, der im Wesentlichen spiralförmig oder schneckenförmig gestaltet ist. Über den Austrittsabschnitt kann die verdichtete Luft vorteilhaft zu Kühlzwecken abgezweigt werden, ohne den Wirkungsgrad des Luftverdichters unerwünscht zu verringern. Der Austrittsabschnitt wird auch Austrittsdiffusor genannt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluftkanal näher bei einer Verzweigung als bei einem Ende des Austrittsabschnitts der Verdichtervolute angeordnet ist. An der Verzweigung endet der Rotationsraum der Verdichtervolute. Am Ende des Austrittsabschnitts tritt die verdichtete Luftströmung aus. Die Nähe der Kühlluftabführung zu der Verzweigung liefert unter anderem den Vorteil, dass die Luftströmung durch die Verdichtervolute nicht oder nur unwesentlich ungünstig beeinflusst wird. Die Verzweigung wird auch als Zunge bezeichnet.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluftkanal entlang einer Drallströmung durch die Verdichtervolute in dem Austrittsabschnitt ausgerichtet ist. So kann vorteilhaft die vorhandene Drallströmung für die Kühlluftabführung genutzt werden, und zwar besonders vorteilhaft mit keiner oder nur einer geringen negativen Auswirkung auf den Wirkungsgrad des Luftverdichters.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluftkanal als Bohrung in dem Austrittsabschnitt der Verdichtervolute ausgeführt ist. Die Bohrung ist fertigungstechnisch einfach und kostengünstig darstellbar.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsachse des Kühlluftkanals mit einer Hilfslinie, die sich parallel zur Drehachse des Verdichterrads durch einen Querschnitt des Austrittsabschnitts erstreckt, einen spitzen Austrittswinkel einschließt. Es hat sich im Hinblick auf die Luftströmung der Verdichtervolute als besonders vorteilhaft erwiesen, den Kühlluftkanal im Wesentlichen radial nach innen auszurichten. Besonders vorteilhaft mündet der Kühlluftkanal in einen Ringkanal. Dadurch werden auf einfache Art und Weise unterschiedliche Einbaulagen der Verdichtervolute ermöglicht. Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittswinkel größer als zwanzig Grad und kleiner als fünfzig Grad ist. Dadurch wird erreicht, dass die Drallströmung möglichst verlustarm in den Kühlluftkanal einströmen kann.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftabführung mehrere Kühlluftkanäle aufweist, die von der Verdichtervolute ausgehen und gleiche Kanaldurchmesser aufweisen. So kann vorteilhaft der gleiche Bohrer für die Realisierung von mehreren Kühlluftkanälen in der Verdichtervolute genutzt werden. Dadurch vereinfacht sich die Herstellung des Luftverdichters.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verdichtergehäuse, insbesondere eine Verdichtervolute, für einen vorab beschriebenen Luftverdichter. Das Verdichtergehäuse, insbesondere die Verdichtervolute, ist separat handelbar.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines elektrisch angetriebenen Luftverdichters mit einer Verdichtervolute, die eine Kühlluftabführung aufweist;
Figur 2 die Darstellung eines Strömungsnegativs einer Luftströmung durch ein Verdichtergehäuse des Luftverdichters aus Figur 1;
Figur 3 eine teilweise transparente Darstellung des Luftverdichters aus Figur 1 mit drei Strömungspfaden einer Kühlluftströmung, die entlang einer Drallströmung durch die Verdichtervolute ausgerichtet ist; und Figur 4 die Darstellung eines Schnitts durch das in Figur 2 dargestellte Strömungsnegativ, um Austrittswinkel zwischen Strömungspfaden und einer Hilfslinie zu veranschaulichen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der Luftverdichter 1 in Figur 1 umfasst ein Verdichterrad 2, das um eine Drehachse drehbar in einem Verdichtergehäuse 3 angeordnet ist. Der Antrieb für das Verdichterrad 2 umfasst zum Beispiel einen Elektromotor.
Das Verdichtergehäuse 3 umfasst einen Diffusor 4, der radial außerhalb des Verdichterrads 2 innerhalb einer Verdichtervolute 5 angeordnet ist. Die Verdichtervolute 5 ist mit einem Durchgangsloch 6 ausgestattet, das zur Darstellung einer Kühlluftabführung 10 an der Verdichtervolute 5 dient.
Das Durchgangsloch 6 zur Darstellung der Kühlluftabführung 10 ist in einem Austrittsabschnitt 9 der Verdichtervolute 5 angeordnet. Der Austrittsabschnitt 9 geht von einem schneckenartigen oder spiralförmigen Rotationsraum 8 der Verdichtervolute 5 aus.
In den Figuren 2 und 4 ist ein Strömungsnegativ einer Luftströmung durch die Verdichtervolute 5 des Verdichtergehäuses 3 aus Figur 1 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Die Kühlluftabführung 10 umfasst drei Kühlluftkanäle 11, 12, 13, die als Bohrungen in einem Gehäusematerial ausgeführt sind, das zur Darstellung des Verdichtergehäuses 3 mit der Verdichtervolute 5 dient.
Die Kühlluftkanäle 11, 12 und 13 haben alle den gleichen Durchmesser und erstrecken sich parallel zueinander. Die Kühlluftkanäle 11 bis 13 erstrecken sich in Figur 2 von dem Austrittsabschnitt 9 schräg nach unten. Ein Abstand der Kühlluftkanäle 11, 12, 13 von einer Verzweigung 14 ist deutlich kleiner als ein Abstand zwischen den Kühlluftkanälen 11, 12, 13 und einem Ende 15 des Austrittsabschnitts 9 der Verdichtervolute 5.
In Figur 3 ist das Verdichtergehäuse 3 mit der Verdichtervolute 5 und dem Austrittsabschnitt 9 teilweise transparent dargestellt, um eine Kühlluftströmung 20 zu veranschaulichen, die von einer durch das sich drehende Verdichterrad 2 erzeugten Luftströmung in dem Verdichtergehäuse 3 abgezweigt wird. Durch die Gestalt der Verdichtervolute 5 ergibt sich eine Drallströmung 24, die sich aufgrund der Gestaltung und Anordnung der Kühlluftkanäle 11 bis 13 in drei Strömungspfade 21, 22, 23 aufteilt.
In dem Schnitt durch das Strömungsnegativ in Figur 4 ist eine Hilfelinie 34 eingezeichnet, die parallel zu der Drehachse des Verdichterrads angeordnet ist. Ein Austrittswinkel 35 zwischen der Hilfslinie 34 und dem Strömungspfad 21 der abgezweigten Kühlluftströmung hat ein Gradmaß von fünfundzwanzig Grad. Ein
Austrittswinkel 36 zwischen der Hilfslinie 34 und dem Strömungspfad 23 der Kühlluftströmung hat ein Gradmaß von vierzig Grad.
Die über die Strömungspfade 21 bis 23 abgezweigte Kühlluftströmung wird vorteilhaft einem Ringkanal zugeführt. Von dem Ringkanal wird die abgezweigte Kühlluft dann zum Beispiel dem Kühler zugeführt, der in den Luftverdichter 1 integriert ist.

Claims

- 7 - Ansprüche
1. Luftverdichter (1) mit einem Verdichterrad (2), das in einem Verdichtergehäuse (3) mit einem Diffusor (4) und einer Verdichtervolute (5), die einen Strömungskanal (30) für eine Luftströmung begrenzt, um eine Drehachse drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtervolute (5) eine Kühlluftabführung (10) aufweist, über die eine Kühlluftströmung (20) von der Luftströmung in der Verdichtervolute (5) abgezweigt wird.
2. Luftverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftabführung (10) mindestens einen Kühlluftkanal (11,12,13) aufweist, der von der Verdichtervolute (5) ausgeht.
3. Luftverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluftkanal (11,12,13) von einem Austrittsabschnitt (9) der Verdichtervolute (5) ausgeht.
4. Luftverdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluftkanal (11,12,13) näher bei einer Verzweigung (14) als bei einem Ende (15) des Austrittsabschnitts (9) der Verdichtervolute (5) angeordnet ist.
5. Luftverdichter nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluftkanal (11,12,13) entlang einer Drallströmung (24) durch die Verdichtervolute (5) in dem Austrittsabschnitt (9) ausgerichtet ist.
6. Luftverdichter nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluftkanal (11,12,13) als Bohrung in dem Austrittsabschnitt (9) der Verdichtervolute (5) ausgeführt ist.
7. Luftverdichter nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsachse des Kühlluftkanals (1,12,13) mit einer Hilfslinie (34), die sich parallel zur Drehachse des Verdichterrads (2) durch einen Querschnitt des Austrittsabschnitts (9) erstreckt, einen spitzen Austrittswinkel (35,36) einschließt.
8. Luftverdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittswinkel (35,36) größer als zwanzig Grad und kleiner als fünfzig Grad ist. - 8 -
9. Luftverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftabführung (10) mehrere Kühlluftkanäle (11,12,13) aufweist, die von der Verdichtervolute (5) ausgehen und gleiche Kanaldurchmesser aufweisen.
10. Verdichtergehäuse (3), insbesondere Verdichtervolute (5), für einen
Luftverdichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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