DE69423617T2 - Membranventil - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Membranventil zur Steuerung der Strömung eines gasförmigen oder flüssigen Fluids, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
- Unter anderem besteht in der verarbeitenden Industrie ein großer Bedarf an Ventilen. In vielen Fällen werden Dreiwegeventile zur Steuerung von Strömen zu unterschiedlichen Anlagenkomponenten einer Prozeßkette verwendet. Die heutzutage erhältlichen Ventile sind primär vom Typ eines Sitzventils, eines Hahnkegelventils oder eines Kugelventils. Diese Ventile haben jedoch den Nachteil, daß sie rund um die Ventilspindel mit einer Stopfbuchse versehen sind, die eine Bewegung von einer Steuereinrichtung auf den Ventilkegel überträgt. Über eine solche Stopfbuchse kann sich jedoch allmählich ein Leck des zu steuernden Fluids ergeben. Ferner weist dieser Ventiltyp Dichtringe auf, hinter denen sich Flüssigkeit ansammeln kann, die nicht leicht entfernt werden kann. Diese Ventile sind daher für viele Prozesse nicht zugelassen und zwar aufgrund der Schwierigkeiten, die bei ihrer Reinigung auftreten. Um diese Nachteile zu vermeiden, wurde vorgeschlagen, Membranventile zu verwenden. Membranventile, die für die verarbeitende Industrie geeignet sind, sind heutzutage nur als Zweiwegeventile erhältlich. Beispiele existierender Zweiwegeventile sind der SE-B-7602218-5 und 7906316-0 zu entnehmen. Um eine Funktion zu erreichen, die beispielsweise der von Sitzventilen entspricht, ist die Verwendung von zwei Zweiwege-Membranventilen erforderlich.
- Die US-A-3,991,788 beschreibt ein Membranventil mit mehreren Auslässen, das einen permanent offenen Einlaßanschluß aufweist, von dem ein Strom zu einem normalerweise geöffneten Auslaßanschluß geleitet wird. Nach Auswahl eines anderen Auslaßanschlusses wird zuerst der offene Anschluß geschlossen und dann der ausgewählte Anschluß geöffnet. Dieses Membranventil ist schwierig zu bedienen und weist viele bewegliche Teile auf. Für die verarbeitende Industrie ist es nicht geeignet, da es schwer zu reinigen ist und da es praktisch nicht selbstdrainierend hergestellt werden kann.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Dreiwege- Membranventil für die verarbeitende Industrie zu schaffen, bei dem die Mischung zweier Ströme oder die Aufteilung eines Stroms auf zwei Auslässe gewünscht wird. Außerdem soll das Membranventil umfassende sanitäre Anforderungen erfüllen, einfach und zuverlässig bedienbar sein und relativ wenige bewegliche Teile haben. Ferner soll das Ventil in einfacher Weise selbst entleerbar sein.
- Diese Aufgaben werden durch ein Membranventil gelöst, das die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale aufweist.
- Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert, von denen
- - Fig. 1 ein vertikaler Mittelschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
- - Fig. 2 ein Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1 ist;
- - Fig. 3 ein Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 1 ist;
- - Fig. 4 ein vertikaler Mittelschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
- - Fig. 5 ein Schnitt entlang der Linie V-V in Fig. 4 ist;
- - Fig. 6 einen Druck- und Hebeblock des zweiten Ausführungsbeispiels von unten gesehen zeigt;
- - Fig. 7 den Druck- und Hebeblock der Fig. 6 von einer Seite zeigt;
- - Fig. 8 eine alternative Form des Ventilgehäuses zeigt;
- - Fig. 9 ein Querschnitt durch ein Ventilgehäuse entlang des Mittelkanals ist, und
- - Fig. 10 ein Schnitt durch die beiden Seitenkanäle senkrecht zum Schnitt der Fig. 9 ist.
- Das Membranventil nach der vorliegenden Erfindung weist ein Ventilgehäuse 1 mit einer Ventilkammer 2 auf, die bei diesem Ausführungsbeispiel in der Draufsicht (Fig. 3) im wesentlichen rechteckförmig ist. In der offenen Ventilkammer ist nacheinander in der Längsrichtung der rechteckigen Form ein erster Seitenkanal 3, ein Mittelkanal 4 und ein zweiter Seitenkanal 5 vorgesehen, die jeweils eine äußere Fluidverbindung oder einen Anschluß 6, 7 bzw. 8 aufweisen. Die Kanäle 3 und 5 sind im wesentlichen symmetrisch zum Mittelkanal 4 angeordnet. Die Öffnungen der Kanäle 3, 4 bzw. 5 sind durch Ventilgehäusewände 1a bzw. 1b voneinander getrennt, die symmetrisch bezüglich des Mittelkanals 4 angeordnet sind. Teile der Oberfläche des Ventilgehäuses um die Öffnungen der Kanäle herum bilden Ventilsitze 9, 10 bzw. 11.
- Eine elastische Membran 12 ist im Ventilgehäuse 1 angeordnet und dazu vorgesehen, in dichtenden Kontakt mit mindestens einem der Ventilsitze gebracht zu werden und davon abgerückt zu werden.
- Zur Steuerung der Bewegungen der Membran 12 weist das Ventil eine Bedieneinheit 13 auf, die wiederum ein Steuerteil 14 und ein Antriebsteil 15 aufweist.
- Das Steuerteil 14 weist ein rechteckiges Gehäuse 16 auf, in dem zwei Druck- und Hebeblöcke 17 und 18 geführt sind, die dazu vorgesehen sind, sich frei auf der Membran abstütztend, jeweils einen Teil der Membran 12 gegen das Ventilgehäuse und seine Sitze zu drücken und die entsprechenden Teile vom Ventilgehäuse abzuheben. Für den zuletzt genannten Zweck ist die Membran 12 mit zwei separaten Zungen 12a, 12b versehen, die symmetrisch um eine vertikale Symmetrieebene angeordnet sind, die eine Mittellinie der Membran und der Achse des Mittelkanals 4 enthält. Die Zungen 12a, 12b sind näher an der vertikalen Symmetrieebene angeordnet als die Ventilgehäusewände 1a, 1b. Stifte 19, 20 sind in die Blöcke 17 bzw. 18 eingeführt und erstrecken sich durch die Zungen. In den Blöcken 17 und 18 sind die unteren Enden von Zug- und Druckstangen 21 bzw. 22 befestigt, die abgedichtet in einer Wand 23 geführt sind, die das Steuerteil 14 und das Antriebsteil 15 dicht voneinander trennt.
- Das Antriebsteil 15 weist ein Gehäuse 24 mit zwei parallelen Zylindern 25 und 26 auf, die axial durch die Wand 23 und eine dieser gegenüberliegende obere Wand 27 begrenzt sind. Kolben 28 und 29 sind in den Zylindern 25 und 26 geführt und fest mit den oberen Enden der Stangen 21 bzw. 22 verbunden. Zwischen der oberen Wand 27 und dem zugeordneten Kolben 28, 29 ist eine Druckfeder 30 bzw. 31 angeordnet, die folglich den zugeordneten Kolben, die Stange 21, 22 und den Block 17, 18 nach unten zur Membran drückt. Im Gehäuse 24 sind Anschlüsse 32, 33 vorgesehen, um über Magnetventile 34, 35 Druckmittel in die Zylinder 25, 26 unterhalb des zugeordneten Kolbens 28, 29 einzubringen, wodurch diese unter Überwindung der Kraft der zugeordneten Feder angehoben werden.
- Durch Betätigen der Magnetventile 34, 35 können entweder einer der Blöcke 17, 18 oder gleichzeitig beide Blöcke angehoben werden.
- Die Oberfläche des jeweiligen Blocks 17, 18, die der Membran 12 zugeordnet ist, hat solch eine Form und Ausdehnung, daß jeder Block die Membran abdichtend gegen einen der Sitze 9 bzw. 12 drückt, wobei ein gleichzeitiges Andrücken beider Blöcke an die Membran, die Membran dicht gegen alle Ventilsitze 9, 10, 11 drückt.
- Die Anordnung der Zungen 12a, 12b der Membran, der Ventilgehäusewände 1a und 1b und der Blöcke 17 und 18 ist derart, daß das Anheben eines Blocks, während der andere weiterhin gegen die Membran gedrückt bleibt, dazu führt, daß der zugeordnete Teil der Membran seine dichtende Kontaktstellung mit dem zugeordneten Sitz 9 oder 11 verläßt. Da jeder dieser Sitze mit dem Sitz 10 des anderen Kanals 4 eine Sitzoberfläche gemeinsam hat, wird nicht nur einer der Kanäle 3 und 5 zur Ventilkammer geöffnet, sondern auch der Mittelkanal 4. Hierdurch wird zwischen den Kanälen 3 und 4 bzw. 5 und 4 eine Verbindung hergestellt.
- Das gleichzeitige Anheben der Blöcke 17 und 18 wird natürlich eine Verbindung zwischen allen drei Kanälen 3, 4 und 5 herstellen.
- Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind die Sitzoberflächen, die der Kanal 4 und die Kanäle 3 und 5 gemeinsam haben, horizontal, wohingegen die Sitzoberflächen der Kanäle 3 und 5, die einander abgewandt sind, geneigt sind, so daß die Ventilkammer eine konkave Form aufweist.
- Die Membran ist vorteilhafterweise so vorgeformt, daß ihre Unterseite in unbetätigtem Zustand der Membran eine im wesentlichen konkave Form hat. Dieser Zustand entspricht dem Zustand, in dem die Blöcke 17 und 18 angehoben sind und somit zwischen allen Kanälen eine Verbindung besteht. Wenn beide Blöcke durch die Federn 30 und 31 gegen die Sitze des Ventilgehäuses gedrückt werden, wird die Membran so deformiert, daß sie die in Fig. 1 gezeigte Form annimmt. In diesem Zustand erhält die Oberseite der Membran, die eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke aufweist, eine Konkavität, die der Konkavität der Ventilkammer entspricht, wobei die unteren Oberflächen der beiden Blöcke daran entsprechend angepaßt sind, um einen gleichmäßig verteilten Druck auf die Membran auszuüben.
- Mit anderen Worten kann gesagt werden, daß die Membran eine Teller- oder Muldenform mit einem flachen Abschnitt 12' hat, der dazu vorgesehen ist, den Kanal 4 zu bedecken, d. h., auf den Sitz 10 zu drücken, und zwei geneigte Abschnitte 12", die dazu vorgesehen sind, die Kanäle 3 und 5 zu bedecken, d. h. gegen die Sitze 9 und 11 zu drücken und insbesondere gegen deren äußere Abschnitte. Die Membran hat ferner einen ebenen Randbereich 12''', der zwischen das Ventilgehäuse 1 und das Gehäuse 16 eingeklemmt ist.
- In den Fig. 4, 5, 6 und 7, die ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen, haben einander entsprechende Einzelheiten die gleichen Bezugszeichen, die jedoch gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel um 100 erhöht sind. Das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich vom ersten primär dadurch, daß die Ventilkammer 102 des Ventilgehäuses 101 und der wirksame Teil der Membran 112 im wesentlichen kreisförmig sind. Auch in diesem Fall hat die Membran 112 einen ebenen Abschnitt 112A. Die Zungen 12a, 12b sind durch ein einziges Hebejoch 112A ersetzt, das einen im wesentlichen T-förmigen Querschnitt hat und Hebearme 112a und 112b und einen Stegabschnitt 112c aufweist. Das Hebejoch ist mittig an der Membran 112 angeordnet. Die Anordnung ermöglicht einen sehr kompakten Aufbau des gesamten Ventils, nämlich dahingehend, daß die zugeordneten Hebe- und Druckblöcke 117, 118 nahe beieinander angeordnet werden können. Dies wiederum führt dazu, daß die Stangen 121, 122 so nahe beieinander angeordnet werden können, daß Zylinder und Kolben, die seitlich nebeneinander angeordnet sind, nicht in geeigneter Weise verwendet werden können, da der in der verarbeitenden Industrie verfügbare pneumatische Systemdruck normalerweise 6 bar beträgt und zu einer zu kleinen Kraft führen würde, als daß die erforderliche Federkraft überwunden werden kann. Daher sind die Zylinder axial versetzt, so daß sie - in axialer Richtung gesehen - einander überlappen. Ein Kolben erhält somit eine längere Kolbenstange als der andere. Die Anordnung kann so sein, daß die längere Kolbenstange radial außerhalb des anderen Zylinders (nicht dargestellt) verläuft oder, wie in Fig. 4 gezeigt, daß die längere Kolbenstange durch den anderen Zylinder und seinen zugeordneten Kolben 129 verläuft.
- Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Bedieneinheit 113 in ein kombiniertes Steuer- und Antriebsteil 114 und ein Antriebsteil 115 unterteilt. Das Steuer- und Antriebsteil 114 beherbergt in einem zylindrischen unteren Wandabschnitt 116, die Blöcke 117 und 118 und über einer Trennwand 123 den Zylinder 126. Dieser ist nach oben durch den Boden 115a des Antriebsteils 115 abgedichtet, das den Zylinder 125 beherbergt. Sowohl im Boden 115a als auch in der Trennwand 123 sind Dichtungen für die Stange 121 und die Stangen 121 bzw. 122 angeordnet. Auch im Kolben 129 ist eine Dichtung für die Stange 121 angeordnet.
- Ferner sind nicht dargestellte Verbindungen zur Versorgung der Zylinder mit Druckmittel vorgesehen, um das Ventil zu steuern.
- Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Stangen 121 und 122 mit den Blöcken 117, 118 durch eingeschraubte konische Stifte 141, 142 gekoppelt, die in Gewindebohrungen 143, 144 der Blöcke eingeschraubt sind und deren Spitzen in Ausnehmungen 145, 146 der Stangen eingreifen. Die Montage der Stifte 141, 142 erfolgt über Öffnungen 147, die für diesen Zweck im Wandabschnitt 116 hergestellt sind, wobei die Federn 130, 131 zusammengedrückt werden.
- Die Blöcke 117, 118 weisen Ausnehmungen 149, 150 auf, in die die Hebearme 112a, 112b eingeführt sind. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist zwischen dem Stegabschnitt 112c des Hebejochs 112A und den unteren Enden der Blöcke ein Abstand vorgesehen. Dieser Abstand erlaubt eine seitliche Bewegung (Neigung) des Stegabschnitts bei der elastischen Verformung desselben und der benachbarten Teile der Hebearme, die beim nach oben Gehen eines Blocks angehoben werden, während der andere gegen die Membran gepreßt bleibt.
- Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel, weist das Ventilgehäuse keinen ausgesprochenen Ventilsitz für jeden Kanal auf, sondern eher zwei Teilsitze 110a und 110b (Fig. 5), gegen die der ebene Teil 112' der Membran drückt und die durch die oberen Oberflächen der Ventilgehäusewände 101a und 101b gebildet sind. Diese Teilsitze dienen jedoch allen Kanälen, indem sie sich wie Gurte durch die Ventilkammer 102 entsprechend dem Randabschnitt der Membran erstrecken, der zwischen das Ventilgehäuse 101 und die zylindrische Wand 116 des Steuer- und Antriebsteils 114 eingeklemmt ist. Der Teilsitz 110a dient somit dem Kanal 103 und zusammen mit dem Teilsitz 110b dem Kanal 104. Aus diesem Grund genügt es, daß die Blöcke 117, 118 nur über den Teilsitzen 110a und 110b gegen die Membran drücken. Deshalb wurde den Blöcken 117 und 118 die in Fig. 4 gezeigte Keilform gegeben, die nur über dem zugeordneten Teilsitz auf die Membran drückt. Es ist jedoch wichtig, daß die Blöcke auf ihrer gesamten wirksamen Dichtfläche gegen die Membran drücken. Der Berührfläche der Blöcke wurde daher die gekrümmte Form gegeben, die an die Ventilsitze angepaßt ist, was aus Fig. 7 ersichtlich ist.
- Das Anheben der Membran wird bei diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls mittig in Bezug auf die Ventilgehäusewände 101a und 102a und ihre Teilsitze 110a, 110b durchgeführt.
- In beiden beschriebenen und gezeigten Ausführungsbeispielen der Erfindung erfährt die Membran beim Öffnen eines Strömungwegs zwischen dem Mittelkanal und einem Seitenkanal eine Deformation mit der ein Biegen oder ein Drehen um eine Kante des niederhaltenden Blocks einhergeht, der der Öffnungsseite zugewandt ist, während die Öffnungshälfte der Membran angehoben wird.
- Normalerweise ist der Mittelkanal 4 (104) der Kanal, durch den ein Medium in das Ventil eingebracht wird, um wahlweise auf einen oder beide Seitenkanäle 3 (103) und 4 (104) verteilt zu werden. In bestimmten Anwendungen kann es jedoch vorteilhaft sein, eine vierte Verbindung oder einen vierten Anschluß in der Ventilkammer zu haben, nämlich als Verlängerung des Kanals 4 (104). Eine derartige Verbindung 151 ist in Fig. 8 gezeigt. Mehrere Ventile, die in dieser Weise angeordnet und mit ihren Mittelkanälen 4 (104) verbunden sind, können z. B. beim Fraktionieren vorteilhafte Lösungen ermöglichen.
- Von verschiedenen verarbeitenden Industrien wird gewünscht, daß die Ventile selbstdrainierend sind. Die vorliegende Erfindung liefert eine Lösung, die auch diesem Wunsch gerecht wird, wobei entsprechend den Fig. 9 und 10 die Böden der Kanäle 203, 204, 205 des Ventilgehäuses 201 in einem Winkel cx nach außen in Richtung der zugeordneten Anschlüsse 206, 207, 208 geneigt sind. Eine geeignete Neigung ist 5º. Die Schüsselform der Ventilkammer ist ebenfalls gut aus den Fig. 9 und 10 ersichtlich.
- Die Mündungen der Ventilkanäle 103 und 105 in die Ventilkammer 102 und insbesondere die Ventilgehäusewände 101a und 101b können vorteilhafterweise so gestaltet sein, daß, wenn die Membran offen ist, bei einer bestimmten Neigung des Ventilgehäuses um die gemeinsame Achse der Kanäle 103 und 105 eine Selbstdrainage der Kanäle 103 und 105 über die Ventilgehäusewände 101a und 201b (vergl. Pfeile in Fig. 5) stattfindet.
- Durch die zuvor beschriebene Erfindung ist ein Dreiwegemembranventil geschaffen worden, das beispielsweise die in der verarbeitenden Industrie bislang erforderlichen zwei Zweiwege-Membranventile ersetzt. Das beschriebene Membranventil erfüllt sowohl die behördlichen Anforderungen als auch die Wünsche der Hersteller und Kunden. Die beschriebenen Anordnungen enthalten keine Stopfbuchsen und Dichtringe, hinter denen sich Fluide stationär ansammeln können. Dieses Konstruktionsprinzip erfüllt die Anforderungen des sicheren Reinigens der Vorrichtung in einfacher Weise. Die Vorrichtung erfüllt ferner die Anforderung des kleinstmöglichen eingeschlossenen Strömungsvolumens im Ventil. Ferner ist herauszustellen, daß zum Reinigen und Spülen der Ventilvorrichtung alle Strömungskanäle durch gleichzeitiges Betätigen der Steuerzylinder abgedeckt werden können.
- Alternativ zur pneumatischen oder hydraulischen Bedienung der gezeigten und beschriebenen Zylinder können die Steuermittel elektrisch oder manuell betätigt werden.
- Die Begriffe "Heben" und "Anheben", die in der obigen Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet werden, sollen, soweit die Einwirkung der Blöcke auf die Membran betroffen ist, neben dem reinen Anheben, die Bedeutungen "Erlauben des Anhebens" einschließen, d. h. daß die Niederhalte-Betätigung zurückgenommen ist, und daß das "Anheben" der Membran infolge des in dem zugeordneten Kanal herrschenden Drucks und/oder infolge einer Vorspannung der Membran erfolgt.
Claims (8)
1. Membranventil zum Steuern einer Strömung gasförmigen
oder flüssigen Mediums, mit einem Ventilgehäuse (1;
101) mit einer Ventilkammer (2; 102), in die ein
Mittelkanal (4; 104) und an ihren beiden Seiten ein
erster Seitenkanal (3; 103) bzw. ein zweiter
Seitenkanal (5; 105) münden, die jeweils einen externen
Anschluß (6, 7, 8; 106, 107, 108) für Fluid haben,
mit Ventilsitzmitteln (9, 10, 11; 110a, 110b), die
im Gehäuse angeordnet sind, mit einer elastischen
Membran (12; 112), die dazu vorgesehen ist, in und
außer Dichtkontakt mit mindestens einem der
Ventilsitzmittel gebracht zu werden und mit individuell
bedienbaren Steuermitteln (17, 18; 117, 118), die dazu
vorgesehen sind, einen zugeordneten Teil der Membran
(12; 112) gegen ein zugeordnetes Ventilsitzmittel
zu drücken, wodurch der Durchgang von Fluid zwischen
dem Mittelkanal und dem zugeordneten Seitenkanal
geschlossen wird und die es ermöglichen, die Membran
von dem zugeordneten Abschnitt des Ventilsitzmittels
abzuheben, wodurch der Strömungsdurchgang zwischen
dem Mittelkanal und dem zugeordneten Seitenkanal
geöffnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der
Mittelkanal (4; 104) und einer der Seitenkanäle (3, 5; 103,
105) einen zugeordneten geradlinigen Teil eines jeden
Ventilsitzmittels (9, 10, 11; 110a, 110b) gemeinsam
haben und daß jedes Steuermittel dazu vorgesehen ist,
nur gegen einen Membranteil zu drücken, der zu einem
zugeordneten geradlinigen Abschnitt gehört, und den
Membranabschnitt wirksam anzuheben.
2. Membranventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran (12) mit zwei separaten
Kopplungs
mitteln (12a, 12b) versehen ist, die in die Membran
integriert sind und die jeweils für ein Zusammenwirken
mit einem Steuermittel (17, 18) vorgesehen sind.
3. Membranventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran (112) ein Kopplungsmittel aufweist,
das beide Steuermittel (117, 118) gemeinsam haben.
4. Membranventil nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel durch
Kolbenstangen (21, 22; 121, 122) mit einem Kolben
(28, 29; 128, 129) verbunden sind, die jeweils in
einem zugeordneten Zylinder (25, 26; 125, 126) geführt
sind.
5. Membranventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kolbenstange (121) des Kolbens (128) sich
durch den anderen Kolben (129) und seinen Zylinder
(126) hindurch erstreckt.
6. Membranventil nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß sich der Mittelkanal (104)
durch das Ventilgehäuse (101) zwischen zwei externen
Anschlüssen (107, 150) erstreckt.
7. Membranventil nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilkammer (102)
selbstdrainierend ist, wobei die Böden der Kanäle
in Richtung des zugeordneten externen Anschlusses
abfallen (α), wenn das Ventilgehäuse horizontal ist.
8. Membranventil nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Seitenkanäle
(103, 105) über den Mittelkanal (104) selbstdrainierend
sind, wenn das Ventilgehäuse in einem bestimmten Winkel
gegenüber der Horizontalebene durch die gemeinsame
Achse der beiden Seitenkanäle (103, 105) geneigt ist.
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