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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ventileinheit für Befüllungsmaschinen
von Behältern,
insbesondere für
Flaschenabfüller.
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Beim
Anwendungsgebiet für
Anlagen zur Getränkeabfüllung tritt
ein bekannter Bedarf zur Gewährleistung
maximaler Keimfreiheit aller Teile der Maschine, die mit dem Getränk in Berührung kommen,
und zur Gewährleistung,
dass der Getränkefluss
von geeigneten Tanks nicht in Kontakt mit äußeren Kontaminationsstoffen
während
des Durchflusses zur Zuführdüse kommen
kann, auf. Es ist diese Düse,
die üblicherweise
dem größten Kontaminationsrisiko
ausgesetzt ist, sowohl wegen ihrer Zuführöffnung – und dadurch der Kontakt zur
Außenluft – als auch
wegen ihrer Anordnung, die Mechanismen und bewegliche Teile aufweist,
die schwer zu reinigen sind, und Entlüftungen, die auch als Träger von äußeren Kontaminationsstoffen
wirken können.
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Folglich
ist die Erstellung sogenannter „keimfreier" Ventile natürlich weitgehend
untersucht worden. Ein Ventil ist entwickelt worden, in dem der
Stopfen durch eine elastische Membran aus Kunststoff eingeschlossen
wurde, die die Leitung isoliert, in dem das Getränk von den verbundenen Mechanismen zum
Stopfen fließt,
siehe WO-A-99/39978. Jedoch weist dieses Ventil bestimmte Probleme,
wie z.B. einen Mangel an Einsatzflexibilität, bezüglich der Anpassung an verschiedene
Befüllungssysteme,
und einen hohen Abnutzungsgrad der elastischen Membrane auf, insbesondere
an dem Punkt, an dem sie, wenn das Ventil geschlossen ist, mit der
Kante der Zuführöffnung der
Ventileinheit in Kontakt kommt, um die Öffnung zu sperren.
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Die
Patentveröffentlichung
WO 03/037779, eingereicht am 16.10.2002 mit Prioritätsdatum 19.10.2001,
und veröffentlicht
am 08.05.2003, offenbart eine Ventileinheit mit einem gleitbeweglichen Stopfen,
der durch eine am Boden offene Membrane abgedichtet wird. Jedoch
scheint die Spitze des Stopfens nicht entfernbar zu sein.
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Die
Patentveröffentlichung
EP 1 207 108 , eingereicht
am 12.11.2001 mit Prioritätsdatum 17.11.2000
und veröffentlicht
am 22.05.2002, offenbart eine Ventileinheit mit Leitungen für zwei unterschiedliche
Fluide und ein Trennelement
21, das jedoch keine Membrane
ist, sondern ein zweites Stopfenelement.
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Um
das Problem zu lösen,
für das
die vorliegende Erfindung erstellt wird, wird daher eine Ventileinheit
für Befüllungsmaschinen
vorgesehen, die die Probleme, die in den Ventilen gemäß des Standes der
Technik innewohnen, bewältigt.
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Dieses
Problem wird durch eine Ventileinheit gelöst, wie sie in den beigefügten Ansprüchen spezifiziert
ist.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Ventileinheit für Befüllungsmaschinen gemäß der vorliegenden
Erfindung werden durch die Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
deutlicher, die nachstehend als Anleitung und ohne einschränkende Absicht
bezüglich
der nachstehenden Figuren erstellt wurde. Darin zeigt:
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1 eine
seitliche Schnittansicht der Ventileinheit gemäß der Erfindung in geschlossenem
Zustand;
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2 eine
Schnittansicht in Richtung A-A in 1;
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3 die
Ansicht von 1, wobei sich aber das Ventil
in geöffnetem
Zustand und während
der Zufuhr befindet;
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4 eine
seitliche Schnittansicht der Ventileinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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Bezüglich der
Figuren umfasst die Ventileinheit gemäß der Erfindung, die als Ganzes
durch die Ziffer 1 bezeichnet ist, einen Hohlkörper 2,
in dem ein Stopfen 3 gleitbeweglich angeordnet ist.
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Der
Körper 2 ist
am Rahmen der Befüllungsmaschine
durch geeignete Halterungseinrichtungen 4, wie z.B. Abstützungen
oder andere Verbindungselemente, befestigt.
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Der
Hohlkörper 2 umfasst
eine Einlassöffnung 5 und
eine Ausflussöffnung 6 für das Fluid 7,
mit dem der Behälter 8 zu
füllen
ist. Die Einlassöffnung 5 ist
im oberen Bereich der Seitenfläche
des Hohlkörpers 2 angeordnet,
während
die Ausflussöffnung 6 auf
der unteren Fläche
des Hohlkörpers 2 in
einer Linie mit dem Stopfen 3 ausgebildet ist. Somit wird
eine Leitung 9 für
das einzufüllende
Fluid 7 innerhalb des Hohlkörpers 2 ausgebildet,
wobei die Leitung im Wesentlichen eine ringförmige Form aufweist, da der Hohlraum
durch den Stopfen 3 koaxial eingenommen wird.
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Eine
Leitung 10 zum Zuführen
des einzufüllenden
Fluids 7 ist mit der Einlassöffnung 5 verbunden.
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Der
Hohlkörper 2 der
Ventileinheit 1 ist im Wesentlichen zylindrisch geformt
und weist im Querschnitt einen Durchmesser auf, der größer als
der Durchmesser der Ausflussöffnung 6 ist.
Der Verbindungsbereich 11 zwischen dem zylindrischen Körper mit
dem größeren Durchmesser
und die Ausflussöffnung 6 weist
eine im Querschnitt gebogene Form auf, so dass er in einem zylindrischen
Bereich mit kleinerem Durchmesser 12 endet, in dem die
Ausflussöffnung 6 für das einzufüllende Fluid 7 ausgebildet
ist.
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Die
Ventileinheit 1 umfasst auch eine Führungseinrichtung 14 für den Stopfen 3.
Diese Führungseinrichtung 14 umfasst
eine Lochplatte 15, die an der oberen Kante 13 des
Hohlkörpers 2 befestigt ist.
Die untere Fläche
der Lochplatte 15 umfasst im Querschnitt eine zweistufige
Form mit zwei ringförmigen,
nach unten zugewandten Schultern. Die obere Schulter 15a wird
zum Eingriff mit der oberen Kante 13 des Hohlkörpers 2,
die wiederum eine gestufte Form aufweist, in der Weise erstellt,
um ein genaues Zentrieren des Stopfens 3 bezüglich des
Hohlkörpers 2 auszuführen. Andererseits
bildet die untere Schulter 15b eine Aussparung zwischen
der durch die Stufe der Kante 13 des Hohlkörpers 2 gebildeten
Schulter und der Lochplatte 15. Ein Hohlschaft 16,
der zum Aufnehmen des Stopfens 3 in einer gleitbeweglichen Weise
erstellt wird, erstreckt sich abwärts von der unteren Fläche der
Lochplatte 15, aber nicht bis zur Umgebung der Ausflussöffnung 6.
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Eine
Gleitführung 17a vom
Typ eines offenen Rings, die zum Zusammenwirken mit der Fläche des Stopfens 3 erstellt
wird, ist in einem geeigneten Sitz auf der inneren Fläche des
Hohlschaftes 16 in der Nähe seines unteren Endes angeordnet.
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Eine
zweite Gleitführung 17b,
ebenfalls vom Typ eines offenen Rings, ist in der Nähe des entgegengesetzten
Endes auf der Innenfläche
des Loches in der Platte 15 angeordnet. Eine Dichtung 18,
z.B. ein V-Ring, ist in einem geeigneten Sitz auf der gleichen Fläche oberhalb
der Gleitführung 17b angeordnet.
Zusätzlich
ist ein ringförmiger
Hohlraum 19, der mit der Entlüftungsleitung 20 verbunden
ist, die auf der Außenseite
der Ventileinheit 1 öffnet,
unterhalb der Gleitführung 17b ausgebildet.
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Die
Gleitführungen 17a, 17b sind üblicherweise
aus geeignetem Kunststoff hergestellt.
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Ein
Kopf 21, der die Spitze der Ventileinheit 1 schließt, ist
oberhalb der Lochplatte 15 befestigt. Der Kopf 21 ist
hohl und nimmt in sich den oberen Bereich des Stopfens 3 auf,
der sich, wie erwähnt,
abwärts
von diesem Punkt erstreckt, wobei er koaxial innerhalb der mittleren Öffnung der
Führungseinrichtung 14 angeordnet
ist, bis er die Ausflussöffnung 6 des
Hohlkörpers 2 erreicht.
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Insbesondere
weist der Stopfen 3 eine stabile zylindrische Form und
einen Durchmesser auf, der etwas kleiner als der Innendurchmesser
des Hohlschaftes 16 ist, so dass ein Zwischenraum zwischen den
beiden Flächen
erzeugt wird. Der Stopfen 3 ist an seiner Spitze an einem
Kolben 22 befestigt, der im Hohlraum des Kopfes 21 gleitbeweglich
untergebracht ist. Oberhalb des Kolbens 22 sind Hubbegrenzungseinrichtungen 23 angeordnet,
die in diesem speziellen Beispiel Zylinder mit einem Durchmesser, der
kleiner als der Innendurchmesser des Hohlraums des Kopfes 21 ist,
und von einer Höhe
sind, die kleiner als der Raum, der gemessen wird, wenn das Ventil
geschlossen ist, zwischen der oberen Fläche des Kolbens 22 und
der inneren Endfläche 24 des
Kopfes 21 ist, wobei sich der leere Raum ergibt, der den
Hub des Kolbens 22 bestimmt. Eine Feder 25, die
den Zylinder 23 umhüllt,
drückt
auf die Oberfläche
des Kolbens und auf die innere Endfläche 24.
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Eine
Dichtung 18',
z.B. vom V-Ring-Typ, ist in einem geeigneten Sitz auf der äußeren Fläche des Kolbens 22 untergebracht.
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Eine
Druckkammer 26, die unter dem Kolben 22 ausgebildet
ist, ist mit einer Druckleitung 27 zur Einleitung von Druckluft
verbunden, die zusammen mit dem Kolben 22 die Betätigungseinrichtung
des Stopfens 3 bildet.
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Bekannte
Befestigungseinrichtungen, z.B. ein Schrauben- und Mutter-System,
werden zum Befestigen des Zylinders 23 am Kolben 22 und
des Kolbens 22 am Stopfen 3 verwendet.
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Das
untere Ende des Stopfens 3 ist unterhalb des Hohlschaftes 16 der
Führungseinrichtung 14,
und dieses untere Ende am Abstützelement 28 befestigt.
Das Abstützelement 28 weist
einen oberen Bereich mit einem größeren äußeren Durchmesser auf, das
mit dem unteren Bereich durch eine Schulter 29 verbunden
ist.
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Das
Abstützelement 28 umfasst
eine mittlere Durchgangsbohrung, die koaxial mit dem Stopfen 3 ist,
und nimmt das untere Ende des Stopfens auf. Eine Spitze 30 ist
z.B. durch eine Schraubverbindung am Endbereich des Stopfens 3,
der sich unterhalb des Abstützelements 28 erstreckt,
entfernbar befestigt. Diese Spitze 30 ist im Wesentlichen
pfeilförmig geformt;
mit anderen Worten, sie weist einen zylindrischen Bereich 30a zum
Verbinden mit dem Stopfen 3, einen im Wesentlichen konisch,
spitz zulaufenden Bereich 30b und eine aufwärts zugewandte
Verbindungsschulter 30c auf. Der spitz zulaufende Bereich 30b kann
spitzbogenförmig
sein, mit anderen Worten eine äußere Ausbauchung,
oder, wie in der Figur dargestellt, ein im Querschnitt konkaves
Profil aufweisen, so dass die Strömung des einzufüllenden
Fluids 7 in Richtung der Öffnung des Behälters 8 gelenkt und
geführt
wird. In allen Fällen
ist die Spitze 30 gemäß den Anforderungen
des Befüllungstyps
und des Behältertyps
und/oder der Getränke
auswechselbar.
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Eine
ringförmige
Aussparung 31 ist zwischen der oberen Kante des Abstützelements 28 und
der unteren Kante des Hohlschaftes 16 ausgebildet.
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Eine
Membran 32 von im Wesentlichen zylindrischer Form, die
an beiden Enden offen ist, ist außerhalb der Führungseinrichtung 14 angeordnet
und umschließt
den Hohlschaft 16 wie eine Jacke. Die Membran 32 ist
an ihrer Spitze zwischen der Kante des Hohlkörpers 2 und der Lochplatte 15 der
Führungseinrichtung 14 befestigt,
wobei die untere Lasche der Membran in der durch die untere Schulter 15b der
Lochplatte 15 gebildeten Aussparung aufgenommen ist. Der
untere Bereich 32a der Membran 32 ist verdickt
und weist einen inneren Flansch 32b auf, der zwischen der
Schulter 29 des Abstützelements 28 und
der Verbindungsschulter 30c der Spitze 30 gehalten
wird. Die größere Dicke
des unteren Bereichs 32a der Membran erlaubt eine befriedigende Verformung
des Materials, wenn das Ventil geschlossen ist, mit anderen Worten,
wenn dieser untere Bereich 32a die innere Fläche des
Verbindungsbereichs 11 des Hohlkörpers 2 beeinträchtigt,
um die Dichtigkeit des Ventils sicherzustellen. Gleichzeitig wird
die Materialermüdung
begrenzt und folglich die Lebensdauer der Membran erhöht.
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Auf
der Außenfläche der
Membran 32 befindet sich eine Mehrzahl von Rippen 33,
die sich im Wesentlichen radial erstrecken, bis sie mit der Innenwand
des Hohlkörpers 2 in
Kontakt kommen. Vorzugsweise werden diese Rippen 33, die
die Funktion zum Stabilisieren der Flüssigkeitsströmung aufweisen
und die Torsionsbewegung verhindern, auf dem unteren Teil der Membran
32, im Wesentlichen auf dem unteren Bereich 32a, positioniert.
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Die
Membran 32 ist aus einem geeigneten Elastomer, z.B. Naturgummi
oder synthetischem Gummi, hergestellt. Vorzugsweise sind die Membran 32 und
die Rippen 33 einstückig
hergestellt.
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Der
Betrieb der Ventileinheit gemäß der Erfindung
wird nun wieder bezüglich
der Figuren beschrieben.
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Im
geschlossenen Zustand sieht die Ventileinheit 1 wie in 1 dargestellt
aus. In diesem Zustand wirken die Spitze 30 und der untere
Bereich 32a der Membran 32 zusammen, um eine Abdichtung
mit der inneren Fläche
des Verbindungsbereichs 11 des Hohlkörpers 2 zu bilden.
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Das
Ventil wird durch Einleiten von Druckluft durch die Druckleitung 27 in
die Druckkammer 26 geöffnet.
Durch die Wirkung der Druckluft steigt der Kolben 22 an,
wodurch sich der Stopfen 3 bewegt, der mit ihm einstückig ist.
Die Feder 25 wird zusammengedrückt, bis der Zylinder 23 an
der inneren Fläche 24 des
Kopfes 21 anliegt, wodurch der Aufwärtshub des Stopfens 3 angehalten
wird. Somit ist das Ventil geöffnet,
wodurch das Zuführen
des einzufüllenden Fluids 7 in
den Behälter 8 ermöglicht wird,
wie in 3 dargestellt.
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Wenn
der Stopfen 3 ansteigt, gleitet das Abstützelement 28,
das einstückig
mit ihm ist, ebenfalls aufwärts,
wobei sie in Richtung der unteren Kante des Hohlschaftes 16,
der fixiert ist, vorrücken.
Das Volumen der ringförmigen
Aussparung 31 wird somit reduziert, was dazu führt, dass
die darin enthaltene Luft aufwärts
durch den Abstand zwischen dem Stopfen 3 und dem Hohlschaft 16 und
an der Position der Gleitführung 17a durch
den durch den offenen Ring übrig
gebliebenen Raum ablässt.
Die Luft wird danach durch die Entlüftungsleitung 20 entfernt,
wodurch das als „Pumpeneffekt" des Luftdruckes
bekannte Auftreten innerhalb der Aussparung 31 verhindert
wird, womit die Betätigung
des Stopfens 3 behindert würde.
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Bei
Beendigung der Zufuhr des einzufüllenden
Fluids 7 wird die Einleitung der Druckluft durch die Druckleitung 27 unterbrochen,
und die Feder 25 gelöst,
wodurch ein Schließen
der Ausflussöffnung 6 des
Hohlkörpers 2 bewirkt
wird.
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Die
Druckluft wird in die Ventileinheit 1 durch ein Magnetventil
(nicht dargestellt), das durch eine Steuer/Regeleinheit betrieben
wird, eingeleitet. Die zugeführte
Fluidmenge wird durch bekannte Durchflussmesseinrichtungen überwacht.
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In
der in 4 dargestellten Ausführungsform des Ventils ist
die Membran 32 am Abstützelement 28 in
einer vorteilhaften Weise durch Vorsehen eines Flansches 29' mit L-Profil
auf der Außenfläche dieses
Abstützelements 28 unterhalb
der Schulter 29 befestigt. Der Flansch 29' wird in einem
ergänzenden Sitz
positioniert, der im verdickten Teil der Membran 32 ausgebildet
ist, wobei eine eingehakte Greifeinrichtung der Membran und des
Stopfens 3 gebildet wird.
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Die
Vorteile der Ventileinheit, auf die sich die vorliegende Erfindung
bezieht, werden durch die obige Beschreibung sofort offensichtlich.
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An
erster Stelle ermöglicht
die Membran 32 den internen Mechanismen des Ventils, um
vollständig
von der Leitung 9 des einzufüllenden Fluids 7 isoliert
zu werden, dass dadurch in völlig
keimfreiem Zustand zugeführt
werden kann.
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Außerdem verlängert das
Verdicken des unteren Bereichs 32a der Membran 32,
mit anderen Worten der Bereich, der mehr der mechanischen Beanspruchung
ausgesetzt wird, die Lebensdauer der Membran und ermöglicht dem
Material, ausreichend verformt zu werden, um eine perfekte Ventildichtung zu
gewährleisten.
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Die
Anwesenheit der Rippen 33 auf der Außenfläche der Membran 32 verhindert
die Torsionsbewegung des Fluids während der Zufuhr, wobei dieses
eine besonders wichtige Anforderung ist, wenn das Ventil an die
Rotationsmaschinen angepasst wird, in denen diese Torsionsbewegung
sehr bedeutend ist.
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Die
Festlegung einer auswechselbaren Spitze 30, einer Eigenschaft,
die sich aus der Tatsache ergibt, dass die Membran 32 am
Boden offen ist, ermöglicht
der Ausführung
des Ventils, um mit den Eigenschaften der Behälter (z.B. der Öffnungsgröße, der
Kapazität
der Flasche, etc.) und mit denen des Getränkes einfach durch Verändern des
Typs und der Form der Spitze 30 übereinzustimmen, aber ohne
Erfordernis, die Membran 32 zu ändern (was zu sehr hohen zusätzlichen
Kosten führen
würde).
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Die
Festlegung der Gleitführungen 17a, 17b mit
einem beträchtlichen
axialen Abstand voneinander auf der Innenfläche der Führungseinrichtung 14 gewährleistet,
dass der Stopfen 3 mit dem Hohlkörper 2 perfekt koaxial
ist, wodurch sich eine hohe Genauigkeit bei der Zufuhr ergibt.
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Eindeutig
wurde hier nur eine besondere Ausführungsform der Ventileinheit,
auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, beschrieben, aber
für einen
Durchschnittsfachmann ist es im Licht der oben genannten Lehre selbstverständlich,
notwendige Modifikationen an besondere Anwendungen anzupassen, ohne
dass sie vom Schutzumfang der hierzu beigefügten Ansprüche abrücken.
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Zum
Beispiel ist es möglich,
mehr als zwei Gleitführungen 17a, 17b vorzusehen.
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Die
Betätigungseinrichtungen
des Stopfens 3, die in diesem vorliegenden Beispiel vom
Drucklufttyp sind, können
durch andere bekannte Einrichtungen, z.B. Nockeneinrichtungen, ersetzt
werden.
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Die
gebogene Form des Verbindungsbereichs 11 des Hohlkörpers 2 kann
verändert
werden, um spezifische Anforderungen zu erfüllen.