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Kolbenverdichter, insbesondere hermetisch gekapselter Kältemittelverdichter - Dokument DE10053574B4
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10053574B4 28.07.2005
Titel Kolbenverdichter, insbesondere hermetisch gekapselter Kältemittelverdichter
Anmelder Danfoss Compressors GmbH, 24939 Flensburg, DE
Erfinder Bjerre, Preben, Sonderborg, DK;
Iversen, Frank, Padborg, DK
Vertreter U. Knoblauch und Kollegen, 60322 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 28.10.2000
DE-Aktenzeichen 10053574
Offenlegungstag 16.05.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.07.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.07.2005
IPC-Hauptklasse F04B 39/02

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter, insbesondere einen hermetisch gekapselten Kältemittelverdichter, mit einer Kurbelwelle, die in einem Axiallager gegenüber einem Lagergehäuse axial abgestützt ist, und einer Ölpumpenanordnung.

Ein derartig Kolbenverdichter ist aus US 3 451 615 bekannt. Am unteren Ende der Kurbelwelle ist eine durch Zentrifugalkraft arbeitende Ölpumpeneinrichtung angeordnet, die in einen Ölsumpf eintaucht und Öl durch die Kurbelwelle hindurch bis zu einem Lagergehäuse fördert, in dem die Kurbelwelle radial und axial gelagert ist. Im Bereich des Radiallagers weist die Kurbelwelle eine schraubenlinienförmig verlaufende Schmiernut auf, durch die das Öl von der Ölpumpeneinrichtung gefördert wird. Axial oberhalb des Lagergehäuses weist die Kurbelwelle einen radial vorstehenden Flansch auf, der auf dem Lagergehäuse aufliegt und mit diesem ein Axiallager bildet. Die Schmiernut ist bis zu diesem Bereich geführt, so daß Öl, das durch die Schmiernut gefördert wird, auch in den Bereich des Axiallagers gelangt, um dieses zu schmieren.

Eine ähnliche Ausgestaltung ist aus DK 164 828 B bekannt. Auch hier weist die Kurbelwelle eine schraubenlinienförmig verlaufende Nut auf ihrer Oberfläche auf, mit der sie in einem Lagergehäuse gelagert ist.

Im Bereich des Axiallagers gelangt also Öl aus dem Ende der Schmiernut, das mit der Kurbelwelle umläuft, in den radial inneren Bereich des Axiallagers und soll sich von dort radial nach außen verteilen. Trotzdem ist es nicht immer gewährleistet, daß genügend Öl ins Axiallager gelangt und über die gesamte Lagerfläche verteilt werden kann. Man hat zwar gelegentlich radial verlaufende Kanäle in dem Axiallager vorgesehen, die für einen besseren Transport des Öls radial nach außen sorgen sollen. Ein solcher Kanal oder solche Kanäle führen aber auch dazu, daß der Ölfilm in der Nähe dieses Kanals nur eine begrenzte Tragfähigkeit aufweist. Dies erfordert die Verwendung eines Schmieröls mit einer relativ hohen Viskosität. Dies wiederum führt zu erhöhtem Energieverbrauch.

In DE 31 28 385 A1 ist ein Kompressor mit geschlossenem Gehäuse für Kühlfluide gezeigt. In diesem ist eine Kurbelwelle vertikal angeordnet, die eine innere Längsbohrung zur Förderung von Öl vom Boden des Gehäuses zu einem am oberen Ende der Welle befindlichen Kopfteil aufweist. Dieses Kopfteil weist einen Austritt auf, über den das Öl auf eine Innenseite des Gehäuses aufgebracht wird. Entlang dieser Innenseite fließt das Öl wieder zurück zum Boden des Gehäuses und kühlt sich dabei ab.

DE 27 24 830 A1 zeigt einen Kolbenkompressor mit einer einen äußeren Antriebszapfen tragenden Kurbelwelle. Die Kurbelwelle ist über zwei Lagerbuchsen in einem Gehäuseeinsatz radial gelagert. Zwischen den Lagerbuchsen ist eine Ringkammer ausgeformt, über die eine Ölzuführung mit einer Bohrungsanordnung der Kurbelwelle verbunden ist. Die Bohrungsanordnung weist eine Ölvorratsbohrung und Radialkanäle auf, die die Ölvorratsbohrung mit Ölabgabestellen an den Lagerbuchsen verbindet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schmiereigenschaften zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einem Kolbenverdichter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß im Axiallager zwischen der Kurbelwelle und dem Lagergehäuse ein in Umfangsrichtung verlaufender Ölverteilkanal angeordnet ist, wobei der zwischen der Ölpumpenanordnung und dem Ölverteilkanal eine Steuereinrichtung angeordnet ist, die bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle mindestens einmal die Ölpumpenanordnung für einen vorbestimmten kurzen Zeitraum mit dem Ölverteilkanal verbindet.

Mit dieser Ausgestaltung wird erreicht, daß man das Öl mit einem höheren Druck in den Ölverteilkanal fördern kann. Dieser höhere Druck kommt unter anderem dadurch zustande, daß das Öl nicht permanent in den Ölverteilkanal fließen kann, sondern nur dann, wenn die Steuereinrichtung die Verbindung zwischen der Ölpumpenanordnung und dem Ölverteilkanal freigibt. Es entstehen also Ölimpulse, die zu einem etwas höheren Druck des Öls im Ölverteilkanal führen. Damit läßt sich die Kurbelwelle besser im Lagergehäuse abstützen. Darüber hinaus ist man bei der Wahl des Ortes für den Ölverteilkanal etwas freier, d.h. man muß den Ölkanal nicht in unmittelbarer Nachbarschaft zu der Bohrung anordnen, durch die die Kurbelwelle geführt ist. Dadurch läßt sich die Ölverteilung weiter verbessern, weil das Öl nicht mehr durch die gesamte axiale Erstreckung des Axiallagers fließen muß, sondern beispielsweise in einem mittleren Bereich eingespeist werden kann, so daß es radial nach innen und nach außen vordringen kann. Da man nun durch eine konstruktive Maßnahme dafür gesorgt hat, daß die Schmierung verbessert ist, läßt sich auch ein Öl mit einer niedrigeren Viskosität verwenden. Dieses Öl erzeugt geringere Verluste, so daß der Wirkungsgrad verbessert werden kann. Bei gleicher Pumpenleistung wird die zugeführte Ölmenge erhöht, so daß wiederum der Öldruck im Ölverteilkanal steigt, was wiederum zu einer verbesserten Schmiereigenschaft führt.

Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung durch die Kurbelwelle gesteuert. Da der Ölimpuls pro Umdrehung der Kurbelwelle mindestens einmal erzeugt werden soll, ergibt sich bei Steuerung durch die Kurbelwelle ein gewisser Automatismus, der keiner weiteren Überwachung mehr bedarf.

Auch ist bevorzugt, daß die Ölpumpenanordnung mit mindestens einer Schmiernut auf dem Umfang der Kurbelwelle verbunden ist, die bei einer Umdrehung der Kurbelwelle mit einer Mündung eines Ölzufuhrkanals in Überdeckung kommt, dessen anderes Ende in den Ölverteilkanal mündet. Die Schmiernut ist an sich bekannt. Sie bildet nun zusammen mit der Mündung des Ölzufuhrkanals die Steuereinrichtung, die dafür sorgt, daß bei jeder Umdrehung mindestens einmal eine Verbindung von der Ölpumpenanordnung zum Ölverteilkanal hergestellt werden kann. Diese Verbindung ergibt sich dann, wenn die schraubenlinienförmig verlaufende Schmiernut (oder Schmiernuten) bei einer Umdrehung der Kurbelwelle in Überdeckung mit der Mündung des Ölzufuhrkanals kommt. Wenn diese Überdeckung nicht hergestellt ist, dann ist die Mündung von der Umfangsfläche der Kurbelwelle abgedeckt, so daß das Öl aus dem Ölverteilkanal nicht rückwärts abfließen kann, sondern vollständig zur Schmierung des Axiallagers verwendet wird. Dadurch, daß die Versorgung des Ölverteilkanals pro Umdrehung nur kurzzeitig erfolgt, kann sich in der übrigen Zeit ein höherer Druck in der Schmiernut aufbauen. Dieser höhere Druck wird dann, wenn die Schmiernut in Überdeckung mit der Mündung des Ölzuführkanals kommt, an den Ölverteilkanal weitergegeben.

Vorzugsweise endet die Schmiernut eine vorbestimmte Entfernung vor dem Axiallager, und die Mündung des Ölzufuhrkanals kommt mit dem Ende der Schmiernut in Überdeckung. Damit ist eine relativ genau definierte Zuordnung zwischen der Schmiernut und der Mündung des Ölzufuhrkanals gegeben. Am Ende des Ölzufuhrkanals kann ein Ölstau erzeugt werden, der wiederum zu einer Druckerhöhung führt, die sich durch den Ölzufuhrkanal in den Ölverteilkanal weiter fortpflanzen kann.

Vorzugsweise ist das Ende der Schmiernut mit einer geneigten Wand versehen. Diese geneigte Wand schiebt das Öl bei einer Drehung der Kurbelwelle vor sich her und erzeugt dabei eine Druckkomponente radial nach außen. Wenn diese geneigte Wand an der Mündung des Ölzuführkanals vorbeigeführt wird, drückt sie das Öl weiter in den Ölzuführkanal, was zu einer weiteren Druckerhöhung im Ölzuführkanal führt. Die geneigte Wand vergrößert also die Amplitude des Ölimpulses.

Vorzugsweise ist am Ende der Schmiernut eine Öltasche ausgebildet. Die Öltasche ist in Axialrichtung etwas verlängert. Damit steht ein etwas größerer Ölvorrat zur Verfügung, der über einen längeren Zeitraum in den Ölverteilkanal gepumpt werden kann.

Vorzugsweise ist der Ölzuführkanal relativ zur Rotationsachse der Kurbelwelle geneigt. Der Ölverteilkanal kann damit radial weiter nach außen verlegt werden.

Vorzugsweise ist der Ölverteilkanal in Umfangsrichtung in mehrere Abschnitte unterteilt, von denen jeder getrennt versorgt ist. Man erhöht damit die Anzahl der Ölimpulse pro Umdrehung der Kurbelwelle. Dies führt zu einer Steigerung der pro Umdrehung der Kurbelwelle in das Axiallager gepumpten Ölmenge. Da die einzelnen Abschnitte des Ölverteilkanals kleiner sind, also ein geringeres Volumen aufweisen, führt dies zu einer weiteren Druckerhöhung des Öls im Axiallager.

Hierbei ist bevorzugt, daß jeder Abschnitt einen Ölzuführkanal aufweist. Dieser Ölzufuhrkanal eines jeden Abschnitts kommt dann bei einer Umdrehung der Kurbelwelle genau einmal mit der Schmiernut auf dem Umfang der Kurbelwelle in Überdeckung. Dies ist eine relativ einfache Möglichkeit, um für jeden Abschnitt des Ölzufuhrkanals eine eigene Steuereinrichtung zu realisieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht eines Kolbenverdichters, teilweise im Schnitt,

2 eine schematische Vorderansicht des Kolbenverdichters, teilweise im Schnitt,

3 eine perspektivische Darstellung eines Radial- und Axiallagers, teilweise im Schnitt,

4 eine perspektivische Darstellung eines Teils des Axiallagers, teilweise im Schnitt, und

5 eine schematische Schnittansicht durch Kurbelwelle und Verdichterblock am Ende einer Schmiernut.

Die 1 und 2 zeigen einen Kolbenverdichter 100 mit einem Kolben 7, der in einem Zylinder 8 angeordnet ist, Zum Verdichten eines Kältemittels wird das Kältemittel über eine nicht näher dargestellte Ventilanordnung in den Zylindern 8 eingesaugt, wenn sich der Kolben 7 in 1 nach links bewegt, und verdichtet, wenn sich der Kolben 7 nach rechts bewegt. Angetrieben wird der Kolben hierbei von einem Elektromotor 110, der einen Stator 10 aufweist, in dem ein Rotor 9 drehbar gelagert ist. Die Umsetzung der Rotationsbewegung des Rotors 9 in die translatorische Bewegung des Kolbens 7 erfolgt mit Hilfe eines Kurbeltriebs 1. Der Kurbeltrieb 1 weist eine Kurbelwelle 2 auf, an deren einem Ende ein Kurbelzapfen 3 ausgebildet ist. Der Kurbelzapfen 3 ist unter Zwischenschaltung eines Lagerelements 5 mit einer Pleuelstange 4 verbunden, die mit einem Pleuelauge 20 das Lagerelement 5 umfaßt. Das andere Ende der Kurbelwelle 4 ist drehbar auf einem Kolbenbolzen 6 gelagert.

Die Kurbelwelle 2 ist in einem Hauptlager 11 gelagert, das in einem Verdichterblock, der als Lagergehäuse 12 dient, ausgebildet ist. Unterhalb der Kurbelwelle 2 ist eine Ölpumpe 33 zur Förderung von Schmieröl aus einem nicht näher dargestellten Ölsumpf angeordnet, die ebenfalls fest mit dem Rotor 9 verbunden ist. Die Ölpumpe 33 fördert das Öl aus dem Ölsumpf in an sich bekannter Weise mit Hilfe von zentrifugalen Kräften.

Das von der Ölpumpe 33 geförderte Öl gelangt bei der Rotation der Kurbelwelle zunächst in eine Sacklochbohrung 13 am unteren Ende der Kurbelwelle 2. Die Achse der Sacklochbohrung 13 ist geringfügig gegenüber der Achse der Kurbelwelle 2 geneigt, was insbesondere aus 2 zu erkennen ist. Bei einer Rotation der Kurbelwelle 2 wird daher das angesaugte Öl durch die Zentrifugalkraft radial nach außen gedrückt und fließt dementsprechend an der radial äußeren Wand der Sacklochbohrung 13 nach oben bis zu einer Radialbohrung 14, die die Sacklochbohrung 13 mit einem an der Außenseite der Kurbelwelle 2 im Bereich des Hauptlagers 11 verlaufenden schraubenförmigen Nut 15 verbindet. Damit ist im Bereich der Radiallagerung der Kurbelwelle 2 im Lagergehäuse eine Schmierung durch einen Ölfilm sichergestellt. Die schraubenförmige Nut 15 wird dementsprechend auch als "Schmiernut" 15 bezeichnet. Man kann natürlich auch mehrere Schmiernuten 15 vorsehen.

Am oberen Ende des Lagergehäuses 12 ist ein Axiallager 37 ausgebildet, in dem die Kurbelwelle 2 mit einem radial erweiterten Flansch 42 auf der Stirnseite 43 des Lagergehäuses 12 aufliegt.

Die Schmiernut 15 endet eine vorbestimmte Entfernung unterhalb des Axiallagers 37. Am Ende der Schmiernut 15 ist eine zweite Radialbohrung 16 in der Kurbelwelle 2 angeordnet, durch die das Öl aus der Schmiernut 15 wieder in die Kurbelwelle 2 eintreten kann, bevor es durch einen zur Achse der Kurbelwelle 2 ebenfalls geneigten Kanal 17 durch den Kurbelzapfen 3 hindurchtritt und bis zur oberen Stirnseite des Kurbelzapfens 3 gelangt. Dort kann das Öls durch eine Öffnung 18 des Kanals 17 austreten. Eine weitere seitlich aus dem Kanal 17 herausgeführte Öffnung 29 ist vorgesehen, um Öl auch zu Lagerungen zwischen der Pleuelstange 4 und dem Kurbelzapfen 3 bzw. dem Lagerelement 5 und dem Kolbenbolzen 6 zu fördern. Die Radialbohrung 16 ist so dimensioniert, daß sich das Öl am Ende der Schmiernut 15 etwas anstaut.

Zur Entlüftung des Öls ist eine Bohrung 19 aus dem Sackloch 13 der Kurbelwelle 2 herausgeführt. Die Bohrung 19 kann vorzugsweise zusammen mit der Bohrung 14 hergestellt werden und mündet auf der Außenseite der Kurbelwelle 2 in Höhe eines Spalts zwischen dem Rotor 9 und dem Lagergehäuse 12. Durch die Bohrung 19 kann gasförmiges Kältemittel aus dem Öl austreten.

Das Lagergehäuse 12 weist ein seinem dem Axiallager 37 benachbarten Ende einen gegenüber der Achse der Kurbelwelle 2 geneigten Ölzuführungskanal 36 auf. Dieser Ölzuführungskanal 36 mündet mit einer Mündung 38 in der Bohrung, die das Hauptlager 11 im Lagergehäuse 12 bildet. Das andere Ende 39 des Ölzuführungskanals 36 mündet zwischen der Kurbelwelle 2 und dem Lagergehäuse 12, genauer gesagt, zwischen dem Flansch 42 und der Stirnseite 43.

Wie insbesondere aus den 3 und 4 zu erkennen ist, ist im Bereich dieses Axiallagers 37 ein Ölverteilkanal 40 vorgesehen, der in der Stirnseite 43 des Lagergehäuses 12 vorgesehen ist, genauer gesagt, etwa in der radialen Mitte einer axialen Lagerfläche 41 des Lagergehäuses 12.

Der Ölverteilkanal 40 kann, wie in 4 dargestellt, einen in Umfangsrichtung geschlossenen Verlauf aufweisen, bei dem lediglich ein Ölzuführkanal 36 notwendig ist. Man kann aber auch vorsehen, daß der Ölverteilkanal 40 in Umfangsrichtung in mehrere Abschnitte unterteilt ist (nicht dargestellt), wobei dann jeder Abschnitt einen eigenen Ölzuführkanal 36 aufweist.

In 4 ist die Kurbelwelle 2 aus dem Lagergehäuse 12 herausgezogen, um die Mündung 38 des Ölzuführkanals 36 besser darzustellen.

Aus 5 ist zu erkennen, daß das Ende 47 der Schmiernut 15 mit einer geneigten Wand 44 versehen ist, so daß sich bei einer Bewegung der Kurbelwelle 2 in Richtung eines Pfeiles 45 gegenüber dem Lagergehäuse 12 eine zusätzliche Ölförderung in den Ölzuführkanal 36 ergibt.

Die Förderung des Öls aus dem Ölsumpf erfolgt auf bekannte Weise, einerseits durch Wirkung der Zentrifugalkraft, andererseits durch Reibungskräfte, wenn die schräge Längswand der Spiralnut bei Drehung der Kurbelwelle das Öl mitnimmt und weiter nach oben transportiert.

Dieses Öl staut sich dann am Ende der Spiralnut an, wobei die Größe der Öffnung 16 so gewählt ist, daß der zeugte Druck ausreicht, das Öl gegen die Zentrifugalkraft wieder ins Innere der Welle zurückzuführen.

Eine zusätzliche Druckerhöhung und damit Pumpwirkung in den Ölzuführkanal erfolgt durch das Ende der Spiralnut, wo die geneigte Endfläche bei Drehung der Welle das an deren Wand "haftende" Öl quasi vor sich her schiebt.

Die in 5 dargestellte Bewegungsrichtung der Kurbelwelle 2 gegenüber dem Lagergehäuse 12 entspricht einer Drehung der Kurbelwelle 2 im Uhrzeigersinn, bezogen auf die Darstellung der 3. Wie mit Pfeilen 46 angedeutet, fließt bei einer derartigen Bewegung Öl aus dem Ölsumpf durch die Schmiernut 15 in Richtung auf das Axiallager 37. Ein Teil des Öls wird durch die Bohrungen und Kanäle 1618, 29 abfließen. Bei entsprechender Dimensionierung wird sich aber am Ende 47 der Schmiernut 15 ein gewisser Öldruck ergeben. Dieser Öldruck führt dann, wenn die Schmiernut 15 in Überdeckung mit der Mündung 38 des Ölzuführkanals 36 kommt zusammen mit der zusätzlichen Pumpwirkung der geneigten Endfläche, zu einem Ölimpuls im Ölverteilkanal 40. Die Schmiernut 15 bildet also mit der Mündung 38 des Ölzuführkanals 36 eine Steuereinrichtung, die bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle 2 dafür sorgt, daß in dem Ölverteilkanal 40 ein entsprechender Ölimpuls entsteht. Bei mehreren Schmiernuten 15 entstehen auch mehrere Impulse. Dieser Ölimpuls führt zu einer Druckerhöhung im Ölverteilkanal 40, der wiederum eine ausreichende Tragfähigkeit des Ölfilms im Axiallager 37 bewirkt und damit eine geringere Reibung und einen geringeren Verschleiß sicherstellt.

Man kann auch vorsehen, wie dies schematisch aus 3 zu erkennen ist, daß das Ende der Schmiernut 15 in Umfangsrichtung etwas vergrößert ist und eine Öltasche bildet. Diese Öltasche stellt dann einen etwas größeren Ölvorrat unter dem etwas höheren Druck bereit, der über einen etwas verlängerten Zeitraum in den Ölzuführkanal 36 gepumpt werden kann. Dadurch wird die Versorgung des Ölverteilkanals 40 weiter verbessert.

Dargestellt ist, daß der Ölverteilkanal 40 in der Stirnseite 43 des Lagergehäuses 12 ausgebildet ist. Selbstverständlich kann der Ölverteilkanal 40 aber auch in dem Flansch 42 der Kurbelwelle 2 oder in beiden am Axiallager 37 beteiligten Teilen ausgebildet sein.


Anspruch[de]
  1. Kolbenverdichter, insbesondere einen hermetisch gekapselten Kältemittelverdichter, mit einer Kurbelwelle, die in einem Axiallager gegenüber einem Lagergehäuse axial abgestützt ist, und einer Ölpumpenanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß im Axiallager (37) zwischen der Kurbelwelle (2) und dem Lagergehäuse (12) ein in Umfangsrichtung verlaufender Ölverteilkanal (40) angeordnet ist, wobei zwischen der Ölpumpenanordnung (33) und dem Ölverteilkanal (40) eine Steuereinrichtung (15, 38) angeordnet ist, die bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle (2) mindestens einmal die Ölpumpenanordnung (33) für einen vorbestimmten kurzen Zeitraum mit dem Ölverteilkanal (40) verbindet.
  2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (15, 38) durch die Kurbelwelle (2) gesteuert ist.
  3. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölpumpenanordnung (33) mit mindestens einer Schmiernut (15) auf dem Umfang der Kurbelwelle (2) verbunden ist, die bei einer Umdrehung der Kurbelwelle (2) mit einer Mündung (38) eines Ölzufuhrkanals (36) in Überdeckung kommt, dessen anderes Ende in den Ölverteilkanal (40) mündet.
  4. Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmiernut (15) eine vorbestimmte Entfernung vor dem Axiallager (37) endet und die Mündung (38) des Ölzufuhrkanals (36) mit dem Ende (47) der Schmiernut (15) in Überdeckung kommt.
  5. Verdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß, das Ende (47) der Schmiernut (15) mit einer geneigten Wand (44) versehen ist.
  6. Verdichter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende (47) der Schmiernut (15) eine Öltasche ausgebildet ist.
  7. Verdichter nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölzuführkanal (36) relativ zur Rotationsachse der Kurbelwelle (2) geneigt ist.
  8. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölverteilkanal (40) in Umfangsrichtung in mehrere Abschnitte unterteilt ist, von denen jeder getrennt versorgt ist.
  9. Verdichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abschnitt einen Ölzuführkanal (36) aufweist.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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