DE102017208134B4 - Fördereinrichtung - Google Patents
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Abstract
Fördervorrichtung mit elektrischem Antrieb (12) mit einem Gehäuse (2) mit einer Ansaugöffnung (5) und mit einer Mehrzahl von Auslassöffnungen (6), mit einem Förderelement (9), welches in dem Gehäuse (2) drehbar aufgenommen ist, um einen Fluidstrom von der Ansaugöffnung (5) hin zu der jeweiligen Auslassöffnung (6) herzustellen, wobei radial außerhalb des Förderelements (9) innerhalb des Gehäuses (2) ein drehbares Ringelement (13) vorgesehen ist, mittels welchem der Fluidstrom durch die jeweilige Auslassöffnung (6) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbare Ringelement (13) einen einzigen spiralförmig von radial innen nach radial außen verlaufenden Fluidkanal (14) aufweist, welcher in der einen Öffnung (15) des Ringelements (7) mündet.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Fördervorrichtung mit einem Gehäuse mit einer Einlassöffnung und mit einer Mehrzahl von Auslassöffnungen, mit einem Förderelement, welches in dem Gehäuse drehbar aufgenommen ist, um einen Fluidstrom von der Ansaugöffnung hin zu der jeweiligen Auslassöffnung herzustellen, wobei radial außerhalb des Förderelements innerhalb des Gehäuses ein drehbares Ringelement vorgesehen ist, mittels welchem der Fluidstrom durch die jeweilige Auslassöffnung einstellbar ist.
- Stand der Technik
- In Fahrzeugen gibt es unterschiedliche Fördereinrichtungen für unterschiedlichste Fluide wie Luft, Wasser, Öl oder Gemischen daraus.
- Ein Beispiel sind Kühlsysteme mit Wasserpumpen, die für die Kühlung unterschiedlichste elektrische Komponenten des Fahrzeugs eingesetzt sind. Dabei handelt es sich um Hybrid- oder rein elektrische Fahrzeuge, da Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren keine elektrischen Komponenten, die gekühlt werden müssten, aufweisen. Um die Verteilung des Kühlmittels zu gewährleiten, werden Ventile verwendet.
- Die Ventile benötigen jeweils einen Aktuator mit elektrischer Ansteuerung und Halterung an einem Bauteil des Fahrzeugs, was zu hohen Bauteilkosten führt.
- Ein anderes Beispiel eines Fördermittels ist ein Verdichter, der Luft ansaugt und unterschiedlichen Verbrauchern zur Verfügung stellt. Dabei wird bisher der Luftstrom ebenfalls ventilgesteuert verteilt.
- Aus der
DE102015106639A1 ist eine Wasserpumpe bekannt, die ein Gehäuse mit einer Einlassöffnung und mit einer Mehrzahl von Auslassöffnungen aufweist, mit einem Förderelement, welches in dem Gehäuse drehbar aufgenommen ist, um einen Fluidstrom von der Ansaugöffnung hin zu der jeweiligen Auslassöffnung herzustellen. Dabei wird radial außerhalb des Förderelements innerhalb des Gehäuses ein drehbares Ringelement verstellt, so dass der Fluidstrom durch die jeweilige Auslassöffnung einstellbar ist. - Dabei wird ein Ringelement verwendet, das eine Mehrzahl von spiralförmigen Fluidkanälen aufweist.
- Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fördereinrichtung zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und dennoch eine gute Einstellbarkeit oder Regelbarkeit von verschiedenen Fluidströmen ohne Hemmung des Durchflusses erlaubt und eine einfache Verstellmechanik ohne Eingriff von außen aufweist.
- Gelöst wird die Aufgabe mit einer Fördervorrichtung mit elektrischen Antrieb mit einem Gehäuse mit einer Einlassöffnung und mit einer Mehrzahl von Auslassöffnungen mit einem Förderelement, welches in dem Gehäuse drehbar aufgenommen ist, um einen Fluidstrom von der Ansaugöffnung hin zu der jeweiligen Auslassöffnung herzustellen, wobei radial außerhalb des Förderelements innerhalb des Gehäuses ein drehbares Ringelement vorgesehen ist, mittels welchem der Fluidstrom durch die jeweilige Auslassöffnung einstellbar ist, wobei das drehbare Ringelement einen einzigen spiralförmig von radial innen nach radial außen verlaufende Fluidkanal aufweist, welcher in der einen Öffnung des Ringelements mündet.
- Durch die Verwendung nur eines spiralförmigen Fluidkanals, welcher auch nur in einer radial außen am verdrehbaren Ringelement liegenden Öffnung mündet, ist ein besserer Wirkungsgrad der Fördereinrichtung gegeben, da ein Fluidkanal, welcher nahezu über den gesamten Umfang des Gehäuses verläuft, strömungsmäßig besser auszuführen ist.
- Für die Verteilung des Fluids ist es von Vorteil, wenn das Gehäuse zylindrisch, topfförmig ausgebildet ist, mit begrenzenden Abdeckungen und mit einer radial außen liegenden Umfangswand, wobei die Mehrzahl der Auslassöffnungen an der radial außen liegenden Umfangswand angeordnet ist. Die Anzahl der Auslassöffnungen kann dabei größer als die beispielhaften zwei Auslassöffnungen der Figuren sein. Es besteht dabei lediglich eine Einschränkung, die darin besteht, dass die Durchmesser der Auslassöffnungen noch gegeneinander abgedeckt werden können.
- Es ist dabei vorteilhaft, dass die Auslassöffnungen an der radial außen liegenden Umfangswand in Umfangsrichtung verteilt und zueinander beabstandet angeordnet sind. Dabei sind Ausführungsformen denkbar, bei denen nicht nur eine Auslassöffnung geöffnet ist, sondern auch zwei Auslassöffnungen gleichzeitig und nur partiell abgedeckt offen sind.
- Vorteilhafterweise erstrecken sich die Auslassöffnungen tangential nach außen oder koaxial zur Ansaugöffnung.
- Es ist von Vorteil, dass die Einlassöffnung konzentrisch zur Drehachse der Fördereinrichtung angeordnet ist, weil so ein optimaler Durchfluss bei kleinem Bauraum erfolgt.
- Es ist von Vorteil, dass das verstellbare Ringelement mittels Drehrichtungsumkehr des Antriebsmotors in Umfangsrichtung verstellbar ist.
- Durch die Verwendung des bereits vorhandenen elektrischen Antriebsmotors zur Verstellung des Ringelements sind keine zusätzlichen Bauteile wie Aktuatoren mehr notwendig.
- Dabei ist vorgesehen, dass der Antrieb des Förderelements und der Antrieb des Ringelements mit einem Getriebe und Freiläufen erfolgt. Einen besonders hohen Integrationsgrad erreicht man, wenn das Getriebe ein Planetengetriebe ist.
- Vorteilhafterweise ist durch die Freiläufe das Förderelement für den Verstellvorgang am Ringelement entkoppelt.
- Es ist von Vorteil, dass die Fördereinrichtung ein Verdichter radialer Bauart ist.
- Es ist von Vorteil, dass er Verdichter Luft für unterschiedliche Funktionen wie Zuluft für einen Verbrennungsmotor, Kühllluft für Abgasbehandlung und/ oder Abgasbauteile.
- Es ist von Vorteil, dass die Fördereinrichtung eine Flüssigkeits-Pumpe ist.
- Beschreibung der Erfindung
- Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
-
1 eine Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verdichters, -
2 eine Schnittdarstellung des Verdichters nach1 , -
3 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Flüssigkeits-Pumpe, -
4 und5 zeigen eine Explosivansicht des Ausführungsbeispiels nach3 -
6 zeigt eine weitere Ansicht des Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe, -
7 zeigt einen alternative Ausführungsform. - Die
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Fördereinrichtung 1 in einer Explosionsdarstellung. Es handelt sich in diesem Ausführungsbeispiel um einen Verdichter. - Die Fördereinrichtung weist ein Gehäuse 2 auf, welches ein erstes Gehäuseteil 3 als Gehäusetopf und ein zweites Gehäuseteil 4 als Gehäusedeckel aufweist. Das zweite Gehäuseteil 4 ist auf das erste Gehäuseteil 3 aufsetzbar, so dass es abgeschlossen und abgedichtet werden kann und einen Förderraum im Inneren definiert.
- Das Gehäuse 2 weist eine Ansaugöffnung 5 zum Ansaugen eines Fluids, in diesem Beispiel von Luft, auf. Auch weist das Gehäuse 2 zwei Auslassöffnungen 6 zum Auslassen der verdichteten Luft auf. Das Gehäuse 2 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und weist zwei Stirnwände 7 und eine Umfangswand 8 auf. Dabei sind die Auslassöffnungen 6 in der Umfangswand 8 und beabstandet zueinander angeordnet. Die Ansaugöffnung 5 ist an der einen Stirnwand 7 angeordnet.
- In dem Gehäuse 2 ist ein Pumpenrad oder Verdichterrad 9 vorgesehen, welches drehbar ausgebildet ist. Dabei ist ein elektrischer Antrieb 12 vorgesehen, der auf eine Antriebswelle 11 einwirkt. Durch die Drehung des Pumpenrads oder Verdichterrads 9 wird ein Luftstrom von der Ansaugöffnung 5 hin zu den Auslassöffnungen 6 erzeugt.
- Radial außerhalb des Pumpenrads oder Verdichterrads 9 ist innerhalb des Gehäuses 2 weiterhin ein verstellbares Ringelement 13 vorgesehen, mittels welchem der Fluidstrom durch die jeweilige Auslassöffnung 6 einstellbar ist. Das Ringelement weist Stege 22 auf, die sich radial vom Zentrum nach außen erstrecken und zur Versteifung dienen. Die Umfangswand 20 ist eine zylindrische Wandung mit einer Öffnung 15.
- Das verstellbare Ringelement 13 weist einen spiralförmig von radial innen nach radial außen verlaufenden Fluidkanal 14 auf, welcher radial außen in eine Öffnung 15 mündet. Der Fluidkanal 14 ist dabei radial innen offen und kommunizieren mit dem Pumpenrad oder Verdichterrad 9, um den Luftstrom des Verdichterrads 9 aufnehmen zu können. Die Stege 22 beeinträchtigen den Durchfluss durch den Fluidkanal nicht. Der radial innere Bereich des Ringelements 13 liegt radial außerhalb des Pumpenrads 9 und das Ringelement 13 nimmt das Verdichterrad 9 in einer zentralen Ausnehmung 16 auf.
- Dreht sich das Ringelement 13 in dem Gehäuse 2, kann durch Überdeckung der Öffnung 15 mit einer der Auslassöffnungen 6 eine Fluidkommunikation erreicht werden und es resultiert ein auslassseitiger Fluidstrom.
- Wie es die
1 und die2 zeigt, sind die Auslassöffnungen 6 an der radial außen liegenden Umfangswand bzw. Ringwand 8 des Gehäuses in Umfangsrichtung verteilt und zueinander beabstandet angeordnet. Durch die geeignete Wahl der Gestalt der Öffnung 15 kann durch Verdrehung des Ringelements eine gezielte Ansteuerung des Auslasses erreicht werden. Im oberen Teil der2 wird der obere Auslass 6 geöffnet. Das Ringelement 13 blockiert mit seiner äußeren Umfangswand 20 die Öffnung des zweiten Auslass 6. Im unteren Teil der2 wurde das Ringelement in Uhrzeigerrichtung um ca. 90° verdreht. Dadurch blockiert seine Umfangswand 20 die obere Auslassöffnung und die Öffnung 15 liegt an der Position des unteren Auslass 6. - Alternativ zu einer alternierenden Öffnung der beiden Auslässe ist es auch möglich durch eng benachbarte Auslässe und einer Teilabdeckung der Auslässe einen Fluidstrom durch zwei Auslässe zu generieren.
- Ein Mechanismus zum Verdrehen des Ringelements wird anhand eines zweiten Ausführungsbeispiels für eine Wasserpumpe nachfolgend erklärt.
- Die
3 zeigt eine Ausgestaltung einer Wasserpumpe 1. Die Wasserpumpe 1 umfasst ein Gehäuse 2 mit einem ersten Gehäuseteil 3 als Topf für das Fördermittel und einem zweiten Gehäuseteil 4 als Boden. Dazwischen ist einen zylindrisches Gehäuseteil 21 angeordnet. Das erste Gehäuseteil 3 enthält das Ringelement 13 mit einen spiralförmig ausgebildeten Fluidkanal 14 auf. Das erste Gehäuseteil 3 umfasst einen Einlass, die Ansaugöffnung 5 und die Auslässe 6, die in dieser Figur nicht dargestellt sind. - Die internen Komponenten der Wasserpumpe 1 umfassen einen Stator 24, der im zylindrischen Gehäuseteil 21 pressgenau eingepasst ist. Der Stator 24 umgibt einen Rotor 26. Der Rotor 26 und der Stator 24 sind durch einen magnetischen Luftspalt voneinander getrennt.
- Der Rotor 26 ist vom Stator 24 auch durch eine Nassbüchse 30 getrennt, da er in diesem Beispiel mit Wasser gefüllt ist. Die Nassbüchse 30 verhindert, dass die Flüssigkeit, die gepumpt wird, den Stator 24 berührt. Der Rotor 26 umfasst eine Antriebsachse 11 und ein Pumpenrad 9 zum Bewegen einer Flüssigkeit beim Eintreten der Flüssigkeit in die Ansaugöffnung 5. Das Pumpenrad 9 bewegt die Flüssigkeit durch den Auslass 6 zu den jeweiligen Verbrauchern.
- In den
4 und5 ist das Ausführungsbeispiel nach3 in einer Explosionssicht dargestellt. Man erkennt in5 , dass das Ringelement 13 eine Innenverzahnung 31 aufweist. Das Pumpenrad 9 dreht sich innerhalb einer Aufnahmeöffnung 16 des Ringelements. - Der Antriebsmotor 12 hat zwei Drehrichtungen von der nur eine zum Antrieb des Pumpenrades 9 genutzt wird. Die andere Drehrichtung wird für die Verstellung des Ringelements 13 genutzt. Die Funktion wird durch zwei zusätzliche Freiläufe 32, ein Getriebe 33, einen Klemmmechanismus, ein Ringelement 13 und einen Positionssensor dargestellt.
- Die Freiläufe 32 sind nicht im Detail dargestellt. Freiläufe haben einen zylindrischen Außenring und einen angetriebenen Innenring. Dazwischen werden z.B. Klemmrollen in passenden Aufnahmen eingesetzt. Federn in den Aufnahmen drücken die Klemmrollen von dem mit den Klemmrollen zusammen rotierenden Innenteil in Richtung auf den Außenring. Bei Drehmomentübertragung entstehen radiale Kräfte, so dass sich die Klemmrollen in ihren Aufnahmeräumen verkeilen. Durch passende Auswahl des Anstell- oder Klemmwinkels des sich ausbildenden Klemmkeiles ist die Ausführung auch bei bester Schmierung absolut rutschsicher und das System befindet sich im Zustand der Selbsthemmung. Kehrt man die Drehrichtung um, bewegen sich die Klemmrollen aus den Aufnahmen und die Sperrung wird aufgehoben.
- Die zwei Klemmrollenfreiläufe 32 werden vom Antriebsmotor 12 angetrieben und wirken jeweils in entgegengesetzter Drehrichtungen als Sperren. Bei der ersten Drehrichtung CW klemmt der erste Freilauf 32a und treibt das Pumpenrad über die Antriebswelle 11 an, der zweite Freilauf 32b ist frei. Bei der entgegengesetzten Drehrichtung CCW klemmt der zweite Freilauf 32b und treibt das Getriebe 33 an, der erste Freilauf 32a ist frei.
- Bei Drehrichtungsumkehr des Motordrehrichtung von CW auf CCW ist es erforderlich, dass das Pumpenrad 9 freilaufen kann, da eine Drehrichtungsumkehr der Strömungsmaschine einen erhöhten Strömungswiderstand verursacht, der den Motor mitschleppen würde.
- Das Getriebe 33 ist erforderlich, um ein ausreichend großes Drehmoment für die Verstellung des Ringelements 13 zur Verfügung zu stellen, da zu erwarten ist, dass das Anlaufmoment des Motors deutlich zu niedrig ist, um das Ringelement zu verstellen.
- Ein weiterer Grund für den Einsatz eines Getriebes, ist die Verwendung von elektrischen Antriebsmotoren 12, die sensorlos betrieben werden.
- Für solche Motortypen ist ein stabiler Betrieb bei kleinen Drehzahlen, zum Beispiel bei Drehzahlen unter 600 rpm nicht möglich ist.
- In
4 ist das Getriebe 33 dargestellt. - Das hier beispielhaft verwendete Getriebe 33 ist ein Planetengetriebe/Wolfromgetriebe beispielsweise mit einer Übersetzung von i = 71, so dass der Antriebsmotor im stabilen Drehzahlbereich unter 600 rpm das Ringelement 13 mit geringer Drehzahl und ausreichendem Drehmoment verstellten kann.
- Das Getriebe 33 besteht aus einem Sonnenrad 41, das angetrieben wird, aus einem feststehenden Hohlrad 40 am Spaltrohr oder dem zylindrischen Gehäuseteil 21 und dazwischen verzahnten Planetenrädern 42.
- Das Sonnenrad 41 wird vom Antriebsmotor 12 angetrieben, wobei sich die Planetenräder 42 im Hohlrad 40 drehen. Die Planetenräder 42 weisen eine größere Bauhöhe auf, als das Hohlrad 40, so dass sie in die Innenverzahnung 31 des Ringelements 13 eingreifen können. Das Ringelement wird dann mit der gewählten Übersetzung langsam verdreht.
- Die Verstellung der Ausgänge erfolgt immer nur in die CCW Richtung, so dass es abhängig von der Anordnung einen zeitlich kurzen und einen zeitlich längeren Schaltvorgang geben kann, da das Ringelement, bzw. die Öffnung 15 des Ringelements 13 entweder nur um etwa 90 Grad zwischen den beiden Auslässen 6 oder aber um circa 270 Grad verstellt werden muss.
- Zur Positionserkennung der Schaltstellung also der Position des Ringelements ist ein Sensor, z. B. ein Hallsensor oder ein kapazitiver Sensor, vorzusehen, der nicht dargestellt ist.
- Das Ringelement 13 wird mittels eines uni- bzw. eines bidirektionalen Mechanismus gegen Verdrehen gesichert, was aber in der Figur nicht dargestellt ist.
- In
6 ist zu erkennen, dass die Anordnung der Auslassöffnungen tangential vom Körper der Pumpe oder des Verdichters weg erstrecken. Diese Lösung ist zwar für den Durchfluss optimiert, kann aber beim Einbau unter den limitierten Bedingungen im Fahrzeug zu groß werden. - Daher schlägt die
7 eine alternative Ausführungsform vor. In dieser Bauform erstrecken sich die Auslassöffnungen axial und parallel zur Einlassöffnung 5. - In dieser Ausführungsform vergrößert sich der Bauraum für die Fluidfördereinrichtung nicht durch die Auslassöffnungen. Sie sind innerhalb des Aussendurchmessers der Fluidfördereinrichtung angeordnet.
- Zwar büßt man durch diese bauliche Anordnung Wirkungsgrad der Fluidförderung ein, dass die Ströme umgeleitet werden müssen, aber zugunsten eines kompakten Aufbaus.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Fördereinheit
- 2
- Gehäuse
- 3
- Erstes Gehäuseteil
- 4
- Zweites Gehäuseteil
- 5
- Ansaugöffnung
- 6
- Auslassöffnungen
- 7
- Stirnwände
- 8
- Umfangswand
- 9
- Fördermittel, Pumpen- oder Ver dichterrad
- 11
- Antriebswelle
- 12
- Antriebsmotor
- 13
- Ringelement
- 14
- Fluidkanal
- 15
- Öffnung
- 16
- zentrale Ausnehmung
- 17
- Hubmagnet
- 18
- Steuerstift
- 20
- Umfangswand
- 21
- zylindrisches Gehäuseteil
- 22
- Stege
- D
- Drehachse
- 30
- Nassbüchse
- 24
- Stator
- 26
- Rotor
- 31
- Innenverzahnung
- 32a, 32b
- Freiläufe
- 33
- Getriebe
- 40
- Hohlrad
- 41
- Sonnenrad
- 42
- Planetenräder
Claims (14)
- Fördervorrichtung mit elektrischem Antrieb (12) mit einem Gehäuse (2) mit einer Ansaugöffnung (5) und mit einer Mehrzahl von Auslassöffnungen (6), mit einem Förderelement (9), welches in dem Gehäuse (2) drehbar aufgenommen ist, um einen Fluidstrom von der Ansaugöffnung (5) hin zu der jeweiligen Auslassöffnung (6) herzustellen, wobei radial außerhalb des Förderelements (9) innerhalb des Gehäuses (2) ein drehbares Ringelement (13) vorgesehen ist, mittels welchem der Fluidstrom durch die jeweilige Auslassöffnung (6) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbare Ringelement (13) einen einzigen spiralförmig von radial innen nach radial außen verlaufenden Fluidkanal (14) aufweist, welcher in der einen Öffnung (15) des Ringelements (7) mündet.
- Fördervorrichtung nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) zylindrisch, topfförmig ausgebildet ist mit begrenzenden Abdeckungen (7) und mit einer radial außen liegenden Umfangswand (8), wobei die Auslassöffnungen (6) an der radial außen liegenden Umfangswand (8) angeordnet sind. - Fördervorrichtung nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnungen (6) sich tangential nach außen oder koaxial zur Ansaugöffnung (5) erstrecken. - Fördervorrichtung nach
Anspruch 2 oder3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnungen (2) an der radial außen liegenden Umfangswand (14) in Umfangsrichtung verteilt und zueinander beabstandet angeordnet sind. - Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche 2 bis4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugöffnung (5) konzentrisch zur Drehachse (D) der Fördereinrichtung angeordnet ist. - Fördereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verstellbare Ringelement (13) mittels Drehrichtungsumkehr des Antriebsmotors (12) in Umfangsrichtung verstellbar ist.
- Fördereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb des Förderelements (9) und der Antrieb des Ringelements (13) mit einem Getriebe (33) und Freiläufen (32) erfolgt.
- Fördereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (33) ein Planetengetriebe ist.
- Fördereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Freiläufe (32) das Förderelement (9) für den Verstellvorgang am Ringelement (13) entkoppelt ist.
- Fördereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringelement (13) eine Verdrehsicherung aufweist.
- Fördereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Verdrehung der Ringelements (13) durch einen Sensor detektiert wird.
- Fördereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (1) ein Verdichter ist.
- Fördereinrichtung nach
Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass er Verdichter Luft für unterschiedliche Funktionen wie Zuluft für einen Verbrennungsmotor, Kühlluft für Abgasbehandlung und/ oder Abgasbauteile liefert. - Fördereinrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis10 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung eine Flüssigkeits-Pumpe ist.
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