DE69318226T2 - Hochdruckgasentladungslampe - Google Patents
HochdruckgasentladungslampeInfo
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruckgasentladungslampe mit:
- - einem vakuumdicht geschlossenen Lampengefäß mit einer einen Entladungsraum umschließenden Quarzglaswand;
- - in die Wand des Lampengefäßes eingebetteten Metallfolien, die mit einem betreffenden äußeren Stromleiter verbunden sind;
- - Wolframelektrodenstiften, die einen Zusatz aufweisen können, mit der betreffenden Metallfolie der Metallfolien verbunden sind und aus der Wand des Lampengefäßes in den Entladungsraum hineinragen;
- - einer ionisierbaren Füllung in dem Entladungsraum.
- Eine derartige Hochdruckgasentladungslampe ist aus US 4 594 529 bekannt. Die bekannte Lampe eignet sich zum Gebrauch als Fahrzeugscheinwerferlampe und hat Elektrodenstiften, die in dem Entladungsraum an ihren Enden ggf. eine Umwicklung haben und die beispielsweise aus Thoriumwolfram bestehen können.
- An die Geschwindigkeit, mit der die Lampe nach Erregung einen großen Teil des Lichtstroms liefert, den sie im stabilen Betriebszustand liefert, werden hohe Anforderungen gestellt. Auch ist es notwendig, daß die Lampe gezündet werden kann, auch wenn sie noch warm ist von einer vorhergehenden Betriebsperiode. Damit die Lampe dieser Anforderung entspricht, wird sie auf einer Spannung von mehreren kV und mehreren kHz gezündet.
- Es hat sich herausgestellt, daß die bekannte Lampe eine nur kurze Lebensdauer hat, wenn sie oft eingeschaltet und nach einer kurzen Brennperiode wieder abgeschaltet wird. Es stellt sich dann heraus, daß das Lampengefäß undicht geworden ist, wodurch Bestandteile der Füllung entwichen sind und die Lampe nicht mehr gezündet werden kann, oder das Lampengefäß ist zerbrochen.
- Bei der Herstellung der bekannten Lampe wird eine Dichtung geschaffen, wobei in die Wand eine oder mehrere der genannten Metallfolien aufgenommen werden. Dabei wird das Quarzglas an der Stelle, wo die Dichtung entstehen soll im Beisein der Metallfolie, des äußeren Stromleiters und des Elektrodenstiftes zum Erweichen gebracht. Danach wird die Lampe, bzw. die "werdende Lampe" zum Abkühlen gebracht. Der Elektrodenstift schrumpft dabei infolge des relativ hohen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (etwa 45*10&supmin;&sup7; K&supmin;¹) stärker als das Quarz-glas, Glas mit einem SiO&sub2;-Gehalt von mindestens 98 Gew.% (etwa 6*10&supmin;&sup7;K&supmin;¹), in das er eingebettet ist. Dadurch entsteht ein Kapillarraum um den Stift herum. Um die Folie herum, meistens eine Molybdänfolie, entsteht ein solcher Kapillarraum infolge der Folienform nicht.
- Beim Zünden der bekannten Lampe steigt die Temperatur der Elektrodenstifte stark, und zwar durch den hindurchfließenden hohen Strom und durch die Wärmeübertragung durch die Entladung. Das Quarzglas folgt dem Tamperaturanstieg nicht unmittelbar. Durch die höhere Temperatur und durch den höheren Ausdehnungskoeffizienten werden die Stifte das Quarzglas berühren und darauf Druck ausüben. Es hat sich herausgestellt, daß dabei Beschädigungen, wie Mikrorisse, in dem Quarzglas auftreten, die sich in den nächsten Zündperioden in Anzahl und Größe zunehmen und zu einer Undichtigkeit der Lampe führen.
- Eine Möglichkeit, diese Phänomene zu vermeiden, besteht in der Erzeugung eines relativ weiten Raumes um die Elektrodenstifte herum, indem vermieden wird, daß das Glas der Wand die Stifte bei der Abdichtung berührt. Diese Möglichkeit ist jedoch nicht immer praktisch durchführbar, weil dadurch ein Raum im Betrieb relativ neidriger Temperatur entsteht, in dem sich wenig-flüchtige Bestandteile der Füllung anhäufen können, die dadurch nicht an der Entladung beteiligt sind. Lampen mit einem derartigen relativ weiten, jedoch beschränkten Raum um die Elektrodenstifte herum, sich aus EP 0 206 598-B1 bekannt.
- Aus US 3 868 528-A ist eine Metallhalogenidlampe bekannt, bei der nebeneinander Stromzuführungsleiter für eine Haupt- und für eine Hilfselektrode in eine Abdichtung des Lampengefäßes aufgenommen sind. Unter dem Einfluß des entgegengesetzten Potentials und des Metallhalogenids kann bei dieser Lampe Entglasung der Dichtung auftreten. Um dies zu vermeiden sind bei dieser Lampe die Räume um die Elektrodenstifte herum mit einem relativ niedrigschmelzenden Erdalkalialuminiosilikatglas gefüllt, das einen linearen Ausdehnungskoeffizienten nahe bei dem von Wolfram aufweist. Ein Nachteil davon ist, daß der Elektrodenstift bei der Abdichtung über der Metallfolie gehalten werden muß, damit das Silikatglas in den Raum um den Stift herum hineinfließt und darin festgehalten wird. In dieser Lage ist es unmöglich, eine ionisierbare Füllung in dem Lampengefäß ausreichend zu kühlen. Diese Füllung muß dann in einem späteren Verfahrensschritt über einen Pumpstengel angebracht werden, wonach der Pumpstengel geschlossen wird. Ein Pumpstengel stört jedoch den Strahlengang des erzeugten Lichtes.
- Es ist nun u.a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Hochdruckgasentladungslampe der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die von einfachen Konstruktion ist und bei der ein frühzeitiges Versagen vermieden wird.
- Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch erfüllt, daß die Elektrodenstifte in der Wand, wenigstens in der Nähe der betreffenden Metallfolie, rundherum eine Quarzglasverkleidung aufweisen, die keinen mechanisch Kontakt hat mit dem Quarzglas der Wand.
- Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Elektrodenstifte eine größere Masse erhalten sollen, ohne daß dadurch ihre elektrischen Eigenschaften und die Zündkurve sich wesentlich ändern. Die Quarzglasverkleidung der Elektrodenstifte steigert die Masse der Stifte und damit ihre spezifische Wärme, die für nur einen Grad Temperaturanstieg erforderliche Energie, und macht zugleich ihren Durchmesser größer und steigert damit ihre Warmeleitfähigkeit. Andererseits nimmt ihre elektrische Leitfähigkeit nicht zu. Die größere Masse verzögert beim Zünden der Lampe den Temperaturanstieg der Stifte, wodurch das umgebende Quarzglas der Wand die Möglichkeit erhält, durch den beibehaltenen Kontakt mit der eigebetteten Metallfolie, auch infolge der darin durch Stromdurchgang erzeugten Wärme, eine höhere Temperatur anzunehmen und zu expandieren.
- Die erfindungsgemäße Hochdruckgasentladungslampe läßt sich äußerst einfach herstellen.
- Es kann beispielsweise von Elektrodenstiften ausgegangen werden, die wenigstens an der Oberfläche einen Zusatz aus beispielsweise ThO&sub2; haben. Die Stifte werden, die äußeren Stromleiter an der Metallfolie befestigt, dadurch in die Wand des Lampengefäßes aufgenommen, daß das Glas des "werdenden Lampengefäßes" örtlich erhitzt und mit den metallteilen in Kontakt gebracht wird. Beim Abkühlen tritt ein Schrumpfeffekt auf. Dabei entstehen Spannungen in dem Glas, die es zum Reißen bringen, wobei die umgebende Quarzglasverkleidung der Stifte entsteht, die durch die Rißbildung mechanisch lose ist von dem Glas des Wand.
- Der Riß folgt einer Strecke einer derartigen Form, daß die Spannungen an der Oberfläche der Verkleidung minimal sind: die Rißbildung beginnt in einem scharfen Winkel α mit dem Stift, dort, wo der Stift in der Nähe des Entladungsraums den Kontakt mit der Wand verliert, erstreckt sich im Wesentlichen zu der Metallfolie hin und endet dort in einem scharfen Winkel mit dem Stift. Die Vakuumabdichtung des Lampengefäßes befindet sich üblicherweise in einer Zone zwischen den Enden der Metallfolie. Sollte der Elektrodenstift sich bis außerhalb des Lampengefäßes erstrecken und folglich keine eingebettete Metallfolie damit verbunden sein, ware das Lampengefäß folglich vom Anfang an undicht.
- Es hat sich nun herausgestellt, daß die Verkleidung bei Exemplaren ein und derselben Art von Lampe eine wechselnde Länge haben kann, und zwar dadurch, daß der Stift beim Abdichten an einer von Exemplar zu Exemplar wechselnden Stelle den Kontakt mit der Wand verliert. Dies kann die Folge geringfügiger Temperaturschwankungen des Quarzglases beim Abdichten sein.
- Beim Abdichten werden die dem Entladungsraum zugewandten Wandteile möglichst wenig erhitzt, damit Verformung vermieden wird. Bei Abdichten gibt es folglich einen starken Temperaturgradienten, dessen Lage geringfügigen Wechselungen ausgesetzt sein kann.
- Wenn beim Abdichten in einem Exemplar eine Stelle, die in der Abdichtungen liegen wird, eine weniger hohe Temperatur hat als sonst der Fall ist, ist das Quarzglas an dieser Stelle relativ viskos und es entsteht an dieser Stelle keine Verbindung mit dem Stift. Das Glas an dieser Stelle hat dann bei Abkühlung keinen Kontakt mit dem Stift. Es hat sich ebenfalls gezeicgt, daß die Aufgabe der Erfindung erreicht wird trotz wechselnder Länge der Verkleidung, d.h. des Längsteils des Elektrodenstiftes in Bezug auf die Verkleidung. In einer an die Metallfolie grenzenden Zone, wobei es zwecks einer Vakuumabdichtung Haftung des Quarzglases an der Folie gibt, entsteht diese Verkleidung nämlich infolge der hohen Temperatur und des intensiven Kontaktes, den das Quarzglas dort bei Verschmelzung mit dem Stromdurchführungsleiter oder unter Druck, den Quetschlöcke beim Anbringen des Kniffs ausübern, hat.
- Das Quarzglas der Verkleidung hat einen große Haftung an dem Elektrodenstift, und zwar durch den Zusatz, wenigstens an der Oberfläche des Stiftes, der in die Verkleidungsschicht, grenzend an die Grenzfläche des Elektrodenstiftes und der Verkleidung eingedrungen ist.
- Abgesehen von der Lebensdauer der Lampe und der Einfachheit deren Herstellung, hat die Lamoe den Vorteil, daß der Spalt, der durch Rißbildung entstanden ist, eine nur sehr geringe Breite hat, geringer als die Breite des genannten Kapillarraums.
- In EP 0 330 268-A1 sind vakuumdicht geschlossene elektrische Lampen beschrieben worden, wobei ein Wolframdraht sich unmittelbar von außerhalb des Kolbens durch dessen Wand hindurch bis in den Raum hinein erstreckt. Dieser Draht hat auch eine Verkleidung aus Quarzglas, womit die Wand jedoch zwischen den Enden des Drahtes verschmolzen ist, so daß die Verkleidung innerhalb sowie außerhalb des Kolbens aus der Wand herausragt. Die Verkleidung ist in einem einzelnen Vorgang vorgesehen und endet an den beiden Enden in einem scharfen Winkel. Wesentlich ist, daß die Verkleidung in einer Schicht, die an die Grenzfläche Metall-Glas grenzt, einen Zusatz, wie Thorium, aufweist.
- Dennoch kann es vorteilhaft sein, wie in der erfindungsgemäßen Lampe, eine herkömmliche Stromzuführ mit einem Folienteil zu verwenden, weil die industrielle Anwendung durchaus bekannt ist.
- Wenn entsprechend der genannten EP-Anmeldung der Zusatz sich in dem Körper des Elektrodenstiftes befindet, wie dies der Fall ist bei einem Stift aus Thorium-Wolfram, soll die Oberfläche des Stiftes mit diesem Zusatz versehen werden, damit das Quarzglas sich an dem Stift heftet. Dazu kann der Stift vorher oxidiert werden und das Wolframoxid kann durch Verdunstung entfernt werden, so daß eine Schale von dem Stift entfernt wird. Der Zusatz in der Schale bleibt jedoch an der Oberfläche zurück.
- Andererseit können Zusätze, entsprechend der genannten EP-Anmeldung, beispielsweise als Suspension, auf der Oberfläche des Stiftes angebracht werden. Beim Anbringen der Quarzglasverkleidung dringt der Zusatz dann in die Verkleidung ein, und zwar in einer Schicht, die an die Grenzfläche Metall-Glas grenzt, damit die Heftung an den Stift geschaffen wird.
- Als Zusatzmaterial lassen sich, entsprechend der genannten EP- Anmeldung, beispielsweise Thorium, Hafnium, Chrom, Alumnium, Titan, Tantal, Magnesium, Kalzium, Strontium, Barium, Zirkon, Lanthan, Niob, Bor, Yttrium in ihrer Elementarform oder in Form von Oxiden oder Salze verwenden. In dem Glas der Verkleidung an der Grenzfläche Metall/Verkleidung kann das Element des Zusatzes in einem "Scanning Electron Microsope" mit Hilfe von "Energy Dispersive Analysis by X- rays" oder mit Hilfe von "Wavelength Energy Dispersive Analysis by X-rays" dargelegt werden.
- Es kann auch von Elektrodenstiften ausgegangen werden, die wenigstens an der Oberfläche Rhenium aufweisen, Rhenium kann beispielsweise als eine Suspension dessen Oxids oder eines salzes angebracht werden. Bei Erhitzung von Oxiden oder Salzen, beispielsweise bis etwa 2200º C, zerlegt sich die verbindung und es bleibt Rhenium zurück. Auch kann ausgegangen werden von Wolfram/Rheniumdraht, beispielsweise mit einem bis eingie Gew.% Rhenium, wobei dadurch, daß der Draht oxidiert und das Wolframoxid abgedampft wird, Rhenium an die Oberfläche gebracht werden kann.
- Aus EO 0 410 511-A1 ist bekannt, daß Wolframdraht mit Rhenium an der Oberfläche eine starke Haftung an einer Quarzglasverkleidung aufweist mit einer mechanischen ineinandergreifenden Konfiguration und daß der verkleidete Draht zwischen den Enden der Verkleidung unmittelbar in einen Quarzglaskolben eingeschloßen. In dem sich an die Grenzfläche Metall/Glas anschließenden Quarzglas ließ sich kein Rhenium darlegen.
- Die Verkleidung der Elektrodenstifte kann auf andere Art und weise in einem einzelnen Verfahrensschritt vor der Herstellung der Lampe vorgesehen sein, und zwar Mit Hilfe eines Quarzglasrohrs.
- Die erfindungsgemäße Hochdruckgasentladungslampe kann als beispielsweise Farhrzeugscheinwerferlampe oder in einem optischen Systen anderer Art verwendet werden. Dazu kann die Lampe ggf. umgeben durch eine äußere Hülle, in einem Lampenfuß befestigt sein. Ein Lampenfuß kann ggf. mit einem Reflektor integriert sein.
- Die Metallfolien können nebeneinander in ein einziges Gebiet der Wand, bzw. in in einem Abstand voneinander, beispielsweise gegenübereinander, liegende Gebiete, eingebettet sein.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1 eine Seitenansicht einer Lampe,
- Fig. 2 eine vergrößerte Einzelheit der Fig. 1,
- Fig. 3 und 4 eine Darstellung der Lampe nach Fig. 1 mit einer Seitenansicht eines Lampenfußes.
- In der Zeichnung hat die Hochdruckgasentladungslampe einen vakuumdichten Kolben 1 mit einer Quarzglaswand 2, die einen Entladungsraum 3 umschließt. In die Wand des Kolbens sind mit einem betreffenden äußeren Stromleiter 5 verbundene Metallfolien 4 eingebettet.
- Mit einer bestimmten Metallfolie der Metallfolien, in der Figur aus Mo mit 0,5 Gew.% Y&sub2;O&sub3;, sind Wolframelektrodenstifte 6 verbunden und ragen aus der Wand des Kolbens in den Entladungsraum.
- In dem Entladungsraum gibt es eine ionisierbare Füllung.
- Die Elektrodenstifte 6 haben in der Wand 2, wenigstens in der Nähe der betreffenden Metallfolie, rundherum eine Verkleidung 7 aus Quarzglas, die mit dem Glas der Wand 2 keinen mechanischen Kontakt hat.
- Die Elektrodenstifte 6 haben einen Zusatz, der wenigstens in einer an die Grenzfläche des Elektrodenstiftes 6 und der Verkleidung grenzenden Schicht der Verkleidung 7 vorhanden ist.
- Der Zusatz enthält ein Element aus der Gruppe, bestehend aus Thorium, Hafnium, Chrom, Aluminium, Titan, Magnesium, Kalzium, Strontium, Barium, Zirkon, Lanthan, Scandium, Lanthaniden, Niob, Bor und Yttrium.
- Die Elektrodenstifte aus Fig. 1 und 2 haben einen geringen Gehalt an das Kristallwachstum von Wolfram regulierenden Mitteln, wie 0,01Gew.% insgesamt an K, Al und Si, und als Zusatz 1,5 Gew.% ThO&sub2; in sich verteilt. Die Wolframkristalle haben eine mittlere Größe von 3*3*10 um³. Die Stifte wurden dadurch, daß sie oxidiert und die gebildeten Oxide entferntwurden "enthäutet", wodurch ThO&sub2; an die Oberfläche gebracht wurde. Verbunden mit den Metallfolien 4, an denen sich die Außeren Leiter 5 befinden, in der Ausführungsform von Mo, wurden die Stifte teilweise in die Wand des Kolbens aufgenommen, indem diese an der Stelle der Leiter mit diesen leitern verschmolzen wurde, oder dadurch, daß diese Wand zum Bilden der Quetschung, geplättet wurde.
- In der Figur ist der Kolben von einer mit demselben gekuppelten Außenhülle 9 umgeben. Die Lampe kann bei einer klemmenden Metallmanschette 10 durch einen Lampenfuß festgegriffen werden.
- Die Lampe hat eine Füllung aus Quecksilber, natrium- und Scandiumiodid und Xenon, beispielsweise Xenon mit einem Druck von 7 Bar bei raumtemperatur und hat im Betrieb auf Entwurfspannung eine Leistungsaufnahme von 35 W.
- In Fig. 2 ist ersichtlich, daß der Elektrodenstift 6 innerhalb der Wand 2 des Kolbens 1, wenigstens in der Nähe der Metallfolie 4 eine Verkleidung 7 hat. Die Verkleidung befindet sich rundherum und besteht aus Quarzglas, dem Glas des Kolbens 1. Die Verkleidung ist im Wesentlichen zylinderförmig mit kegelförmigen Enden, in der Nähe der Folie 4 und dort, wo der Stift den Kontakt mit dem Glas verliert. Die Verkleidung hat dadurch einen scharfen Randwinkel α. Durch die gestrichelte Linie 7' ist diejenige Schicht der Verkleidung 7 bezeichnet, die an die Grenzfläche Elektrodenstift/Verkleidung grenzt. Es sei bemerkt, daß die Wand des Kolbens an der durch 2' bezeichneten Stelle beim Herstellen der Abdichtung nicht verform ist, weil der "werdende Kolben" an dieser Stelle vorher bereits die endgültige Form erhalten hatte. An dieser Stelle wurde kein intensiver Kontakt rundherum zwischen Stift und Glas geschaffen. In einer Zone des Elektrodenstiftes zur Länge von wenigstens einem Drittel des Abstandes zwischen Folie und der durch 2' bezeichneten, mit einer Rille versehenen Stelle, ist die Temperatur des Quarzglases bei der Fertigung der Lampe immer hoch genug um einen intensiven Kontakt und damit Haftung herbeizuführen.
- In der dargestellten Ausführungsform hat der Elektrodenstift eine Dicke von 250 um und die Verkleidung eine Schichtdicke von etwa 40 um. Es ist ersichtlich, daß die Verkleidung 7 und der Riß um dieselbe herum bei einer Verbindungsstelle 4' der Stiftes an der Folie, oder bei der Folie endet. Die Dichtung 2 ist eine Vakuumdichtung in einer Zone zwischen dem äußeren Stromleiter und dem Elektrodenstift 4.
- In Fig. 3 ist der Kolben 1 in eine andersartige Außenhülle 9' aufgenommen und damit verbunden. Der Kolben ist in einem Lampenfuß 8 vom Bajonetttyp, mit einem zentralen Stiftkontakt 11 und einem Ringkomtakt 12 befestigt, die, der Ringkontakt über den Verbindungsleiter 13, mit einem betreffenden Elektrodenstift 6 verbunden sind. Die Elektrodenstifte haben Y&sub2;O&sub3; als Zusatz, und zwar in ihrer Masse, 3 Gew.%, sowie in dem Glas der Verkleidung.
- In Fig. 4 ist der Kolben 1 in einen andersartigen Lampenfuß 8' aufgenommen,der Kontakte 11' und 12' an austretenden Käbeln hat. Die Elektrodenstifte 6 haben HfO&sub2; als Zusatz in einer an die Grenzfläche Elektrodenstift/Verkleidung grenzenden Schicht der Verkleidung. Um den Verbindungsleiter 13 herum gibt es einen Keramikisolator 14.
- In einer Abwandlung hat die Lampe nach Fig. 4 Elektrodenstifte aus Wolfram mit 1 Gew.% Rhenium darin verteilt. Auch an der Oberfläche ist Rhenium vorhanden, wodurch eine große Haftung der Quarzglasverkleidung an den Elektrodenstiften erhalten worden ist, und zwar durch die ineinandergreifenden Oberflächenstrukturen der Stifte und deren Verkleidung.
Claims (5)
1. Hochdruckgasentladungslampe mit:
- einem vakuumdicht geschlossenen Lampengefäß (1) mit einer einen
Entladungsraum (3) umschließenden Quarzglaswand (2);
- in die Wand des Lampengefäßes eingebetteten Metallfolien (4), die mit einem
betreffenden äußeren Stromleiter (5) verbunden sind;
- Wolframelektrodenstiften (6), die einen Zusatz aufweisen können, mit der
betreffenden Metallfolie der Metallfolien verbunden sind und aus der Wand des
Lampengefäßes in den Entladungsraum hineinragen;
- einer ionisierbaren Füllung in dem Entladungsraum,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenstifte (6) in der Wand(2), wenigstens in der
Nähe der betreffenden Metallfolie (4), rundherum eine Quarzglasverkleidung (7)
aufweisen, die keinen mechanisch Kontakt hat mit dem Quarzglas der Wand (2).
2. Hochdruckgasentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektrodenstifte 6 mit der Verkleidung wenigstens in einer an die
Grenzfläche von Elektrodenstifte (6) und Verkleidung grenzenden Schicht der Verkleidung
(7) zur Steigerung der Halftung der Verkleidung (7) an dem Elektrodenstift einen
Zusatz aufweisen.
3. Hochdruckgasentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Zusatz ein Element aus der Gruppe, bestehend aus Thorium, Hafnium,
Chrom, Aluminium, Titan, Magnesium, Kalzium, Strontium, Barium, Zirkon, Lanthan,
Scandium, Lanthaniden, Niob, Bor und Yttrium aufweist.
4. Hochdruckgasentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektrodenstifte wenigstens an ihrer Oberfläche Rhenium aufweisen.
5. Hochdruckgasentladungslampe nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe in einen Lampenfuß (8)
aufgenommen ist.
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: KONINKLIJKE PHILIPS ELECTRONICS N.V., EINDHOVEN, N |
|
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Representative=s name: VOLMER, G., DIPL.-ING., PAT.-ANW., 52066 AACHEN |