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Thermostat
Die Erfindung betrifft einen Thermostaten, bei dem die bei Temperaturänderungen auftretenden
Volumenänderungen eines festen, in einem Gehäuse eingeschlossenen Stoffes, vorzugsweise Weichgummi, zur Verstellung eines Kolbens dienen der in das Gehäuse durch eine Öffnung hineinragt, deren innere
Wandung einen Zylinder für den Kolben bildet.
Ein Zweck der Erfindung ist, einen Thermostaten zu schaffen, der billig und klein ist, aber trotzdem die gleiche hohe Genauigkeit hat, die bisher nur mit verhältnismässig komplizierten und entsprechend teueren Thermostaten erreicht werden konnte. Ein anderer Zweck der Erfindung ist, den Thermostaten so auszubilden, dass er fast unzerbrechlich ist und eine lange Lebensdauer besitzt.
Die bei Temperaturschwankungen expandierende oder sich zusammenziehende Masse besteht bei
Thermostaten meist aus einer Flüssigkeit, die in einem Balg untergebracht ist. Der bekannte Vorteil einer solchen Anordnung ist, dass keine Dichtungsschwierigkeiten bestehen, solange der Balg nicht beschädigt wird. Die Nachteile sind, dass der Balg meist die Genauigkeit herabsetzt und teuer und empfindlich ist.
Man kann diese Nachteile vermeiden, wenn man einen gewöhnlichen Zylinder und Kolben verwendet, aber dieser Weg ist nicht gangbar, da die Dichtungsschwierigkeiten nicht gelöst sind. Versuche, sie zu lösen, werden seit Jahren gemacht, d. h. man versucht eine Anordnung zu finden, die die Vorteile des Balges, des Zylinders und des Kolbens hat, ohne deren Nachteile. Man könnte dies mit einem Zylinder und Kolben erreichen, wenn die Flüssigkeit durch sehr weichen Gummi ersetzt wird. Das Dichtungsproblem ist hiebei automatisch gelöst, da die Gummimoleküle oder Zellen miteinander verbunden sind und lange Ketten bilden, welche ähnlich wie Hängebrücken den Raum zwischen Kolben und Zylinder überbrücken und so das Ausfliessen des Gummis verhindern.
Es ergibt sich dabei aber eine andere Schwierigkeit, nämlich die Reibung, die dadurch hervorgerufen wird, dass Gummi keine Flüssigkeit ist, sondern nur ein Stoff, der ungefähr als zwischen fest und flüssig angesehen werden kann.
Der grössere Teil des Gummis in dem Gehäuse wird sich praktisch wie eine wirkliche Flüssigkeit verhalten, d. h. keine merkbare Reibung veranlassen, aber der Rest des Gummis, d. h. ein kleiner Teil in der Nähe des Kolbenendes wird sich nicht in dieser Weise verhalten. Hierin begründet liegen die Reibung und die bisher nicht gelösten Probleme.
Zwei wichtige Tatsachen können bereits festgestellt werden. Der expandierende und sich zusammenziehende Stoff soll zumindest in der Nähe des Kolbenendes nachgiebig sein. Weicher Gummi ist nur ein Ausführungsbeispiel, vermutlich aber der hiefür geeignete Stoff. Sein Ausdehnungskoeffizient ist 0, 00067, also ziemlich gross. Der Kolbendurchmesser soll stets kleiner sein als der des den Gummi aufnehmenden Behälters.
Es gibt hiebei hauptsächlich zwei Arten von Reibungen, nämlich die äussere Reibung zwischen Gummi und beweglichem Kolben und die innere Reibung im Gummi selbst. Die erste zu vermindern bildet eines der zu lösenden Probleme, die zweite das andere. Die Lösungen beider Probleme machen es möglich, die gesamte Reibung herabzusetzen. Natürlich werden die technischen Wirkungen jeder dieser Lösungen ähnlich sein. Teils aus diesem Grunde, teils weil beide Probleme gelöst werden müssen, damit der Thermostat funktionieren kann, werden beide Arten von Reibungen zusammen mit den beiden Problemen und den Problemlösungen gleichzeitig beschrieben. Die Fig. 1 bis 4 der Zeichnung zeigen die beiden Lösungen.
Die Erfindung bezieht sich auf das zuletzt erwähnte Problem und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben mit einer die Hublänge übersteigenden Länge in das mit Gummi gefüllte Gehäuse eintaucht und wenigstens teilweise durch eine selbst von Gummi eingeschlossene Wand umschlossen ist, deren Stärke zumindest an ihrer dem Gummi zugekehrten Stirnseite gering ist.
Die erste Art der Reibung, nämlich die zwischen Gummi und Kolben, ist-wenn der Kolben in den Gummi hineinragt-abhängig von der gesamten Berührungsfläche zwischen Gummi und Kolben und auch von seiner Form. Wenn der Thermostat neu ist, so ist diese Oberfläche nur gleich dem Teil des Kolbens, welcher im Gummi liegt.
Wenn er jedoch einige Zeit im Gebrauch gewesen ist, wird der Gummi ein wenig abSenutzt und ein feiner Film von Gummistaub wird in den Spalt zwischen Kolben und Zylinder gequetscht und erhöht die Reibung zwischen den beiden beträchtlich. Demgemäss gehört zu der gesamten erwähnten Kontaktfläche die ursprüngliche Berührungsfläche zwischen Kolben und Zylinder, da diese
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Fläche als Ergebnis der Abnutzung des Gummis nach einiger Zeit in eine Berührung zwischen Kolben und kompaktem Gummistaub geändert wird. Es wird bemerkt, dass die erste Art der Reibung, die gesamte Reibung zwischen Kolben und Gummi, erheblich dadurch vermindert werden kann, dass die Berührungsfläche zwischen den beiden Körpern so klein wie technisch möglich gemacht wird, in der Hauptsache durch die geeignete Formgebung dieser Fläche.
Aus Versuchen wurde gefunden, dass der Kolben nicht tiefer in den Gummikörper hineinragen darf als ungefähr das Zwei-oder Vierfache des Durchmessers des betreffenden Teiles des Kolbens. Genauer ausgedrückt, es wurde gefunden, dass der maximale Wert Ai der Grösse einer von einem Teil des Kolbens gebildeten zylindrischen Fläche-welcher Teil sich von dem zugespitzten Ende des Kolbens in dem
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Lösungsprinzip für diese Aufgabe wurde gefunden, dass die Wand, durch die der Kolben in das Gehäuse hineinragt, trichterförmig, kegelartig oder pyramidenförmig in der Nähe des Kolbenendes sein soll. Die Spitze des Trichters oder des kegelartigen Körpers soll dem Gummi zugewandt sein, der demgemäss in Berührung mit seiner konvexen Oberfläche ist.
Der Öffnungswinkel des Trichters des Kegels oder der Pyramide soll so klein wie möglich sein. Die geometrischen Achsen des Kegels und des Kolbens fallen zusammen. Das Prinzip kann mehr generell folgend ausgedrückt werden :
Die festen Wände des Gummigehäuses in der Nähe des Kolbenendes sollen solche Form haben, dass das Volumen des Gummis innerhalb einer kleinen Sphäre zentral zur Mitte der Kolbenendfläche ein Maximum wird. Mit der Anwendung dieses Prinzipes wird die innere Reibung des Gummis ein Minimum.
Die Erklärung des Phänomens ist einfach. Wenn der Kolben z. B. bei steigender Temperatur sich aus dem Gummigehäuse nach auswärts bewegt, wird sich der Gummi nach dem Kolbenende hin bewegen.
Innere Kräfte im Gummi wirken dieser Bewegung entgegen. Diese Kräfte werden aber umso kleiner, je grösser der Abstand zwischen dem sich bewegenden Teil des Gummis und der benachbarten festen Wand ist. Die bewegliche Gummimasse verschiebt sich teilweise zu andern Teilen des Gummis und diese Verschiebung wird sich umso leichter durchführen lassen, je dicker diese Teile sind, d. h. je grösser der Abstand oder das erwähnte Volumen ist. Theoretisch sollte die Spitze des Kegels im Schwerpunkt des Gummiblocks liegen, in der Praxis genügt es aber, wenn die Länge des Konus wenige Millimeter beträgt, falls das Volumen des Gummiblockes etwa die Grösse von 20 cm3 hat.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. In der Zeichnung zeigen : Fig. 1 einen Schnitt durch einen Thermostaten zur Reglung der Raumtemperatur, Fig. 2 in grösserem Massstab einen Schnitt durch den mittleren Teil des Ausführungsbeispieles und Fig. 3 und 4 zwei Abänderungen von Einzelheiten der Erfindung.
In Fig. 1 ist der Gummi mit 1 bezeichnet. Der Gummi nimmt die Temperatur der umgebenden Luft an. Der Hauptteil des Gummigehäuses ist ein Rohr 2, vorzugsweise aus Aluminium, da dieses Metall zu den Stoffen gehört, die Wärmestrahlen reflektieren. Ein dünner Kolben ist mit 3 bezeichnet und seine Kante mit 3 a. Dieser Kolben ist stets in Berührung mit der Feder 4, die in geeigneter Weise an der Scheibe 5 befestigt ist, die ihrerseits stets in Berührung mit der Schraube 6 steht. Normalerweise stehen auch die Teile 3 und 5 in Berührung miteinander. Auf der Schraube 6 ist ein Handrad 8 befestigt.
Der oberste Teil des Raumes, der den Gummi 1 enthält, wird durch die Körper 15, 16, 17, 18 und 19 begrenzt. Der Körper 15 (Fig. 2) ist ein Ring, der durch den Gummidruck gsgen den Ring j ! ss gedrückt wird, dessen Flansch J ! ssa durch die Feder 14 gegen den entsprechenden Flansch 17a des Rohres 17 gepresst wird. Es sei schon jetzt darauf hingewiesen, dass bei Steigen der Temperatur, z. B. an einem heissen Sommertag, der Druck des Gummis zu stark ansteigen würde, wenn das Volumen konstant wäre. Zur Begrenzung des Maximaldrucks dient die aus zwei Ringen 15 und 16 und einer Feder bestehende Einrichtung. In der zentrischen Bohrung im Rohr 17 ist ein trichterförmiger Körper oder auch ein Trichter 18 befestigt, dessen unterer Teil ungefähr kegelförmig ist.
Der obere Teil des Rohres 17 ist an dem Deckel 20 befestigt, der auf dem Zylinder 2, z. B. durch Aufschrauben, befestigt wird. Der obere Teil der Feder 14 stützt sich am Deckel 20 ab. Eine zweite und schwächere Feder 21 sitzt innerhalb des Rohres 17. Der obere Teil dieser Feder 21 stützt sich gleichfalls am Deckel 20 ab, ihr unteres Ende am Flansch 22 der Stange 24.
Der Kolben 19 passt in das zentrische Loch des Trichters 18. Der sehr kleine zylindrische Teil dieses Trichters, der sich in Berührung mit dem Kolben 19 befindet, ist mit 18'bezeichnet. Dieser kleine Teil 18' wirkt wie ein gewöhnlicher Zylinder und schliesst den Kolben ein und kann deshalb auch als Zylinder angesprochen werden, trotz der Tatsache, dass dieser Zylinder bei der Ausführung gemäss der Erfindung kürzer ist als der Kolben.
In diesem Zusammenhang soll darauf hingewiesen werden, dass laut internationaler, wissenschaftlicher Definition eines Zylinders der arbeitende Teil eines solchen Kolbens vom geometrischen Standpunkt her, immer ein Zylinder bzw. ein prism : nartiger Bauteil ist, gleichgültig, ob der Querschnitt der zylindrischen Fläche des Kolbens ein Kreis, Rechteck, Ellipse usw. ist ; es ist jedoch selbstverständlich die übliche kreisförmige Ausführung vorzuziehen.
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Der obere Teil 19'des Kolbens 19 kann dünner ausgeführt werden. Er stützt sich am genannten Stab 24 ab und wird gegen diesen durch den auf den Kolben 19 wirkenden Druck des Gummis gedrückt.
Auf dem Deckel 20 ist ein Rohr 25 eines schlechten Wärmeleiters befestigt, z. B. rostfreier Stahl oder Kunststoff. Sein oberes Ende ist an dem Gewindering 27 befestigt und dieser wiederum im Gewindestutzen 29. An dem oberen Ende des Stabes 24 ist der Ventilteller 30 befestigt, z. B. durch eine Feder 31, so dass dieser ein wenig ausschwingen und sich abdichtend gegen den Sitz 32 legen kann.
Innerhalb des Trichters 18 ist ein kleiner Hohlraum 42. Dieser Raum, ebenso wie die Räume, in denen die Federn 14 und 21 sich befinden, und der Raum innerhalb des Rohres 25 werden mit einem Fett gefüllt, das den Gummi nicht angreift. Enige Siliciumfette bzw. Siliconfette haben solche Eigenschaften. Das Fett verhütet einen Kontakt zwischen dem Gummi und dem Zentralheizungswasser. Die erwähnten Räume stehen vorteilhaft miteinander in Verbindung. Wenn man nicht will, dass der Raum, in dem die Feder 14 sich befindet, mit den obengenannten Räumen in Verbindung steht, so muss er entweder mit der umgebenden Atmosphäre in Verbindung stehen oder darf nicht mit Siliciumfett oder einer andern Flüssigkeit gefüllt werden, sondern mit einem Gas, z. B. Luft.
Der Minimaldruck in dem Gummi ist durch die Feder 4 bestimmt, der normale durch die Feder 21 und der maximale-was später ausführlicher beschrieben wird-durch die Feder 14. Die Teile 14-16 bilden eigentlich eine Überdrucksicherheitseinrichtung. Der Minimaldruck muss höher sein als der Wasserdruck in dem Heizsystem. So wird das Wasser daran gehindert, auszulaufen. Das Rohr 25 kann auch ein Rohr als Glas oder einer andern schlecht wärmeleitenden Substanz enthalten. Dadurch wird die Menge des teuren Siliciumfettes, das benötigt wird, vermindert. Zwischen dem Siliciumfett und dem heissen Wasser kann, falls nötig, eine dünne Membran, z. B. aus Teflon (Poly-Tetrafluoräthylen) angebracht werden.
Wie man aus Fig. 2 ersehen kann, ist die Höhe h der zylindrischen Kontaktoberfläche zwischen dem Kolben 19 und seinem Zylinder 18'sehr gering. Versuche haben gezeigt, dass sie nicht höher als 0, 2 bis 0, 3 mm sein sollte, wenn der Durchmesser des Kolbens 19 3 mm ist und der Raum zwischen dem Kolben und seinem Zylinder (Körper 19 und 18') ungefähr 0, 03 mm. Es handelt sich hiebei um eine spezielle Ausführung, aber sie ist aufschlussreich und typisch für diesen Teil der Erfindung. Die geeignetste Weise des Spaltes zwischen dem Kolben und seinem Zylinder ist u. a. eine Funktion des Druckes in dem Gummi.
Der Thermostat funktioniert wie folgt :
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til 30 offen ist. Wenn die Temperatur steigt, so wird der Kolben aus dem Gummistück entgegen dem Druck der Feder 21 herausgepresst und schliesst dadurch das Ventil. Wenn der Druck sinkt, kehrt der Kolben in seine Ausgangsstellung zurück und das Ventil öffnet sich. Der Gummi wird durch dieses Pendeln des Kolbens bei gleichzeitigem Temperaturwechsel abgenutzt. Wie bereits erwähnt ist, kommt Gummistaub in den Raum zwischen dem Kolben 19 und seinem Zylinder 18'und verursacht somit, dass die Reibung zwischen diesen beiden Körpern beträchtlich ansteigt. Die Reibung ist eine Funktion des Reibungskoeffizienten zwischen dem Kolben und dem festgeklemmten Gummistaub, des Kolbendurchmessers d, der besagten Höhe h und des Raumes zwischen dem Kolben und dem Zylinder.
In dieser Funktion erscheint der Reibungskoeffizient und der Durchmesser d in der ersten Potenz, aber die Höhe h in einer höheren Potenz. Die Erklärung dafür liegt darin, dass der Maximaldruck des festgeklemmten Gummistaubes mit der Höhe h wächst, während er fast unabhängig von dem Durchmesser d ist. Hieraus ist leicht zu verstehen, wie wichtig es ist. dass die Höhe h gering gehalten wird. Die Reibung zwischen dem Kolben und seinem Zylinder (19, 18') wächst sehr schnell an, wenn die Höhe h anwächst. Aus der Praxis her hat sich erwiesen, dass die Reibung bei einem gewissen Wert von h fast plötzlich und sprunghaft anwächst.
Wenn der Kolbendurchmesser zunimmt, so darf man die Höhe h nicht proportional dazu anwachsen lassen, sondern nur in einem geringen Masse, denn h erscheint in der Funktion in einer grösseren Potenz als 1, jedoch d in der ersten Potenz.
Die Reibung am andern Teil des Kolbens 19, der sich in Kontakt mit dem Gummi befindet, wird dadurch auf einen annehmbaren Wert reduziert, dass dieser Teil so klein wie möglich gehalten wird.
Folglich soll der Kolben, wie oben erwähnt, in den Gummi nicht weiter als notwendig hineinragen. Daraus folgt dass das Ende des Kolbens dem kleinen Zylinder 18'sehr nahe sein soll, wenn der Kolben aus dem Gummi soweit wie möglich herausgestossen wurde, d. h, wenn er sich in seiner äussersten Lage befindet.
Genauer ausgedrückt könnte man sag : n, dass ein Kreis 33 auf jenem Teil des Kolbens, wo dessen zylindrische Oberfläche beginnt oder anfängt, möglichst nahe dem äusseren Rand des kleinen Zylinders 18' liegen soll, d. h. der Teil des Kolbens in dem Behälter 2 soll ein Minimum sein, wenn der Kolben sich in seiner äussersten Lage befindet. Mechanische Anschläge sollen die Bewegung des Kolbens einschränken.
Die Bewegung im Gummi ist durch den Flansch 22 begrenzt, der gegen einen Teil des Körpers 17 stösst.
In der andern Richtung dienen der Ventilteller 30 und sein Ventilsitz 32 als Anschlag. Im Falle, dass diese Teile nicht vorhanden sind, dient als Anschlag der dickere Teil des Stabes 24, der gegen den Deckel 20 stösst.
Was hier gesagt wurde, ist ebenfalls gültig, wenn die Spitze des Kegels beliebig nahe 1800 wird, d. h. wenn der Kolben in den Gummi durch eine ebene Wand hineinragt. Wenn die Spitze beliebig nahe 0 wird und der Kegel also ein zylindrisches Rohr wird oder ist, der Kolben kurz und sein Zylinder lang ist, und der Kolben sich im Inneren des Zylinders befindet - wie in Fig. 3 später noch in Einzelheiten beschrieben wird-soll der Kreis 33 auf dem Kolben möglichst nahe dem äusseren Teil eines Zylinders sein, wenn der Kolben so weit wie möglich in den Gummi hineingedrückt ist.
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In Fällen, wo die Ansprüche an Genauigkeit gering sind, z. B. für die Kontrolle der Wassertemperatur in einem Autokühler, kann Al/A2 bis zu 16 hin ansteigen, Al/A2 - < 16, und der Maximalwert der Höhe h kann so gross wie der Durchmesser des Kolbens werden.
Wenn der Gummi abgenutzt ist, wird sich Gummistaub in dem kleinen Hohlraum 42 innerhalb des Trichters 18 sammeln. Bereits eine sehr kleine Menge Gummistaub reicht aus, um den Thermostat ausser Funktion zu setzen, wenn die Höhe h nicht unterhalb eines gewissen Wertes bleibt, d. h. des Wertes, bei dem die erwähnte sprunghafte Steigerung einsetzt. Zwar ist der Hohlraum 42 klein, meistens cm3, aber gross genug, um sicherzustellen, dass der Gummistaub dort nicht unter Druck gesetzt wird. Folglich verursacht er keine nennenswerte Reibung gegenüber dem Teil 19'des Kolbens. Das Siliciumfett trägt dazu bei, dass die erste Art der Reibung gering gehalten wird. Es wird einiger Jahrzehnte bedürfen, ehe der kleine Hohlraum 42 mit Gummistaub angefüllt ist.
Die Abnahme der zweiten Art von Reibung in dem Gummi, der inneren Reibung, infolge der er- nndungsgemässen Ausbildung des Thermostaten ist bereits beschrieben worden. Wie bereits erwähnt, ist die Reibung eine Funktion des Öffnungswinkels des kegelstumpfförmigen Teiles des Trichters 18.
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Wert zurückgegangen. Wenn er 180'beträgt-d. h. wenn der Konus oder der konische Körper durch eine flache Platte oder Wand ersetzt wird - wird die Reibung im allgemeinen zu gross. Wenn er nahezu 00 beträgt-so wenn an Stelle des Konus oder des erwähnten Körpers ein dünnwandiges Rohr verwendet wird-ist die Reibung nur um ein weniges geringer als bei einem Winkel von 60 .
Der Thermostat kann auf verschiedene Temperaturen durch Verringern oder Vergrössern des Volumens des Gummibehälters eingestellt werden, z. B. indem man das Handrad 8 dreht und dadurch den dünnen Kolben 3 bewegt.
Wenn die Temperatur steigt, so z. B. an einem heissen Sommertag, würde der Druck des Gummis zu sehr ansteigen, wenn das Volumen konstant wäre. Um den Maximaldruck zu begrenzen, dient die aus zwei Ringen 15 und 16 und einer Feder 14 bestehende Einrichtung. Die beiden Ringe können als ein Ring betrachtet werden, denn der erste dient nur dazu, den Thermostaten leichter zusammenzubauen.
Wenn der Druck über einen gewissen Wert hinaus ansteigt, vor dem üblicherweise das Ventil 30 geschlossen wird, bewegen sich die beiden Ringe 14 und 16 nach oben und drücken dadurch die Feder 14 zusammen. Dagegen wird an einem kalten Tag, wenn der Thermostat die Raumtemperatur annimmt, der Druck in dem Gummi nachlassen. In diesem Fall beginnt die Feder 4 in Aktion zu treten. Sie hält den Druck oberhalb oder bei einem gewissen Minimumwert, der, wie bereits erwähnt wurde, grösser sein muss als der Wasserdruck, um das Wasser am Auslaufen zu hindern.
Bei der Ausführungsform der Erfindung, wie sie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist der zylindrischen Kontaktoberfläche zwischen dem Kolben und dem Zylinder 18'eine sehr geringe Höhe h gegeben, indem man den erwähnten Zylinder kurz hält, während im Vergleich dazu der Kolben lang sein kann. Natürlich kann man auch das entgegengesetzte Prinzip befolgen, d. h. den Kolben kurz halten und den Zylinder lang.
Fig. 3 zeigt ein solches Ausführungsbeispiel. Hier ist der Kolben 19 a genannt und der Trichter 18 a.
Der zylindrische Teil einer solchen Zylinderform ist mit 18 a'bezeichnet. Er ist lang im Vergleich zu der Dicke des Kolbens 19 a. Die maximale Kontaktoberfläche zwischen diesen beiden Körpern hat die geringe Höhe h. Natürlich kann der ganze Trichter 18 a durch ein zylindrisches dünnwandiges Rohr mit demselben inneren Durchmesser, wie sie der zylindrische Teil 18 a'hat, ersetzt werden.
Die Abnutzung des Gummis kann, wie in Fig. 4 gezeigt, herabgesetzt werden. Im Gummi und um den Kolben 19 herum wird ein Hohlraum geschaffen, der mit kleinen Teilchen 10 eines langlebigen Materiales, das mit einem Schmiermittel, wie z. B. Graphit oder Siliciumfett, vermischt ist, angefüllt ist. Die kleinen Teilchen können aus härteren Gummi oder Vulkollan oder aus festen Körpern wie z. B. Glasoder Stahlkugeln bestehen. Diese Teilchen oder Kugeln sind nachgiebig. Der Staub der durch die Reibung entsteht, wird wie zuvor ausgestossen. Jedoch in diesem Falle ist die Reibung grösser als bei dem Gummi.
Von weiteren Abänderungen oder Einzelheiten, die innerhalb des Rahmens dieser Erfindung möglich sind, sollen nur noch die folgenden erwähnt werden.
Zwischen Gummi und Kolben 19 kann eine dünne Schicht eines widerstandfähigeren Materials, als es weicher Gummi ist, gelegt werden. Dies kann härterer Gummi oder sogenanntes Vulkollan sein. Diese härtere Schicht muss so dünn 8ein, dass ihre innere Reibung nicht ins Gewicht fällt. Desgleichen kann man auch zwei dünne Schichten verwenden mit etwas Schmiermittel wie z. B. Graphitpuder dazwischen.
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