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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung an einer hydraulischen
Vorrichtung mit einem eingebauten freien Kolben zum Trennen von Flüssigkeit
und Gas.
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Ein
Druckspeicher oder ein hydraulischer Einrohr-Dämpfer weist zum Beispiel einen
freien Kolben auf, der in einem Zylinder oder Gehäuse eingeschlossen
ist und sich frei gleiten kann, um eine Flüssigkeitskammer und eine Gaskammer
voneinander zu trennen.
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In
einem Druckspeicher wird eine Temperaturvariation des Flüssigkeitsvolumens
in einem Flüssigkeitssystem
durch eine Axialverschiebung des freien Kolbens in dem Zylinder
kompensiert, um die Kapazität
der Flüssigkeitskammer
zu erhöhen
und gleichzeitig die Kapazität
der Gaskammer zu vermindern (oder umgekehrt).
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In
einem hydraulischen Dämpfer
wird eine Variation in der Kapazität des Flüssigkeitskammer aufgrund einer
Verlängerung
oder Kontraktion der Kolbenstange ebenfalls durch eine Axialverschiebung
des freien Kolbens in dem Zylinder kompensiert.
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Der
freie Kolben, der die Flüssigkeitskammer und
die Gaskammer voneinander trennt, ist an seinem Außenumfang
allgemein mit einem Dichtungsglied wie etwa einem O-Ring versehen.
Das Dichtungsglied ist derart angeordnet, dass es unter einem vorbestimmten
Kontaktdruck in Kontakt mit dem Innenumfang des Zylinders ist.
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Wenn
der freie Kolben in der Axialrichtung in dem Zylinder gleitet, tritt
eine Reibung zwischen dem Dichtungsglied und dem Innenumfang des
Zylinders auf, wobei der freie Kolben nicht zu gleiten beginnt, bevor
der Differenzdruck zwischen der Flüssigkeitskammer und der Gaskammer
den Reibungswiderstand zwischen dem Dichtungsglied und dem Innenumfang
des Zylinders überschreitet.
Diese Betriebseigenschaft eines freien Kolbens kann eine unvorteilhafte
Auswirkung auf die Reaktionsfähigkeit
und Zuverlässigkeit
der hydraulischen Vorrichtung mit dem eingebauten freien Kolben
haben. Insbesondere in einem hydraulischen Dämpfer kann diese Eigenschaft
eines freien Kolbens die Dämpfeigenschaften instabil
machen.
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Um
das oben beschriebene Problem in einer hydraulischen Vorrichtung
mit einem eingebauten freien Kolben zu lösen, gibt die Veröffentlichung JP2004-011864A
des japanischen Patentamts aus dem Jahr 2004 einen hohlen freien
Kolben an, der durch eine Blase bedeckt wird.
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Auch
wenn der Reibungswiderstand zwischen dem freien Kolben und dem Innenumfang
des Zylinders ein Gleiten des freien Zylinders verhindert, kann
gemäß diesem
Stand der Technik eine Variation in der Kapazität der Flüssigkeitskammer mit guter Reaktionsfähigkeit
kompensiert werden, weil sich die Blase ohne Verzögerung erweitert
oder kontrahiert.
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Ein
Gummi mit einer hohen Elastizität
wird als Material für
die Blase verwendet. Gummi lässt
jedoch Gase bekanntlich nach und nach durch, sodass das Gas in der
Gaskammer über
einen längeren
Zeitraum in die Flüssigkeitskammer
eindringen kann.
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Es
ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das bei einem
freien Kolben gegebene Reaktionsproblem zu lösen, wobei gleichzeitig ein Eindringen
von Gas aus der Gaskammer in die Flüssigkeitskammer verhindert
wird.
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Um
die oben genannte Aufgabe zu lösen, gibt
die Erfindung eine hydraulische Vorrichtung mit einem zylindrischen
Gehäuse
an, wobei ein freier Kolben in dem Gehäuse untergebracht ist und frei
in der Axialrichtung gleiten kann. Der freie Kolben trennt eine
Gaskammer von einer Flüssigkeitskammer
und umfasst einen Metallbalg, der sich in Übereinstimmung mit einer Druckbalance
zwischen der Gaskammer und der Flüssigkeitskammer verlängert und
kontrahiert, um das Verhältnis
zwischen der Kapazität der
Gaskammer und der Kapazität
der Flüssigkeitskammer
zu variieren, sowie weiterhin einen Stopper, der verhindert, dass
sich der Metallbalg über
eine vorbestimmte Länge
hinaus verlängert.
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Die
Details sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden
durch die folgende Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
erläutert.
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1 ist
eine Längsschnittansicht
eines hydraulischen Dämpfers
gemäß der Erfindung.
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2 ist
eine Längsschnittansicht
eines freien Kolbens gemäß der Erfindung.
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Wie
in 1 der Zeichnungen gezeigt, umfasst ein hydraulischer
Dämpfer
einen Zylinder 1, der ein Gehäuse bildet, einen freien Kolben 2,
der in dem Zylinder 1 aufgenommen ist, einen Kolben 10,
der in dem Zylinder 1 über
dem freien Kolben 2 aufgenommen ist, und eine Kolbenstange 11,
die an dem Kolben 10 fixiert ist und von dem Zylinder 1 vorsteht.
Der freie Kolben 2 und der Kolben 10 werden jeweils
derart gehalten, sodass sie frei in der Axialrichtung auf dem Innenumfang
des Zylinders 1 gleiten können.
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Eine
Stangenführung 12 ist
an einem oberen Ende des Zylinders 1 fixiert. Die Stangenführung 12 führt die
Kolbenstange 11 in einer Axialrichtung, während der
Zylinder 1 geschlossen wird. Ein Lager 13 zum
Halten der Kolbenstange 11 und ein in Kontakt mit der Kolbenstange 11 befindliches
Dichtungsglied 14 sind in der Stangenführung 12 vorgesehen.
Durch die Stangenführung 12 und
den Kolben 10 wird ein Flattern der Kolbenstange 11 in
Bezug auf den Zylinder 1 verhindert.
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Der
Raum in dem Zylinder 1 wird durch den freien Kolben 2 in
eine untere Gaskammer G und eine obere Flüssigkeitskammer R unterteilt.
Die Flüssigkeitskammer
R wird weiterhin durch den Kolben 10 in eine untere erste
Operationskammer R1 und eine obere zweite Operationskammer R2 unterteilt. Das
Innere der ersten Operationskammer R1 und der zweiten Operationskammer
R2 ist jeweils mit einem Arbeitsöl
gefüllt.
Der Kolben ist mit einer Öffnung 10A versehen,
durch welche die erste und die zweite Operationskammer R1, R2 miteinander
kommunizieren. Die Öffnung 10A verursacht
einen Druckverlust für
den Ölfluss
zwischen der ersten und der zweiten Operationskammer R1, R2. Anstelle
einer Öffnung kann
ein Dämpfungsmechanismus
wie zum Beispiel ein Entlastungsventil vorgesehen werden, der einen ähnlichen
Effekt vorsieht.
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Wie
in 2 gezeigt, umfasst der freie Kolben 2 einen
hohlen Hauptkörper 3,
der auf dem Innenumfang des Zylinders 1 gleitet, einen
Metallbalg 4, der an dem oberen Ende des Hauptkörpers 3 angebracht
ist, um den hohlen Teil des Hauptkörpers 3 zu bedecken,
und einen Stopper 8, der die Verlängerung des Metallbalgs 4 über eine
vorbestimmte Länge
hinaus begrenzt.
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Das
obere Ende des Hauptkörpers 3 weist einen
reduzierten Durchmesser auf und bildet eine Stufe 3a.
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Der
Metallbalg 4 umfasst einen Verlängerungs/Kontraktionsteil 5,
einen Scheitel 6, der am oberen Ende des Verlängerungs-/Kontraktionsteils 5 angebracht
ist, und einen Basisteil 7, der kontinuierlich mit dem
unteren Ende des Verlängerungs-/Kontraktionsteils 5 ausgebildet
ist. Der Basisteil 7 ist an dem Außenumfang der Stufe 3a angebracht.
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Der
Stopper 8 weist die Form einer Kappe auf, die den Metallbalg 4 bedeckt.
Die Basis des Stoppers 8 ist an dem Außenumfang des Basisteils 7 des
Metallbalgs 4 angebracht. Der Basisteil 7 und
die Basis des Stoppers 8 sind beide durch Schweißen oder ähnliches
an der Stufe 3a fixiert.
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Um
den Metallbalg 4 fest mit dem Hauptkörper 3 zu verbinden,
weist der Basisteil 7 vorzugsweise einen Flansch 7a auf,
der durch den Stopper 8 und die Stufe 3a erfasst
wird. Der Flansch 7a hilft dabei, zu verhindern, dass der
Metallbalg 4 von dem Hauptkörper 3 abfällt. Solange
jedoch der Basisteil 7 fest zwischen dem Innenumfang des
Stoppers 8 und dem Innenumfang der Stufe 3a befestigt
werden kann und nicht von dem Hauptkörper 3 abfällt, kann
auf den Flansch 7a verzichtet werden. Es ist auch möglich, den
Basisteil 7 und den Stopper 8 durch Presspassen
anstelle von Schweißen
an der Stufe 3a zu fixieren. Bei einem Schweißen werden
die Gaskammer G und die Flüssigkeitskammer
R jedoch besser voneinander getrennt, sodass das Gas und die Flüssigkeit zuverlässiger voneinander
getrennt werden können.
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Ein
Kommunikationsloch 8a ist in dem Zentrum der oberen Endfläche des
Stoppers 8 derart ausgebildet, dass der Innenraum und der
Außenraum
des Stoppers 8 miteinander kommunizieren. Der Durchmesser
des Kommunikationslochs 8a ist kleiner als derjenige des
Metallbalgs 4, sodass das Kommunikationsloch 8a durch
den Scheitel 6 geschlossen wird, wenn der Metallbalg 4 vollständig verlängert wird.
Anstelle des einzelnen Kommunikationslochs 8a können auch
eine Vielzahl von Löchern auf
der oberen Endfläche
des Stoppers 8 vorgesehen werden.
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Eine
ringförmige
Rille 3b ist auf dem Außenumfang des Hauptkörpers 3 des
freien Kolbens 2 ausgebildet. Ein O-Ring 9, der
auf dem Innenumfang des Zylinders 1 gleitet, ist in die
ringförmige
Rille 3b gepasst.
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Bei
dem oben beschriebenen Aufbau werden die zweite Operationskammer
R2 und die Gaskammer G durch den Metallbalg 4 getrennt.
Weil der Metallbalg 4 keine Gase durchlässt, sind die zweite Operationskammer
R2 und die Gaskammer G über einen
langen Zeitraum vollständig
voneinander isoliert. Der durch Schweißen an dem Hauptkörper 3 fixierte
Metallbalg 4 hält
weiterhin einen hohen Grad an Luftdichtigkeit bei einem großen Temperaturvariationsbereich
oder bei einem hohen Druck aufrecht. Dadurch kann ein hydraulischer
Dämpfer
zum Erzeugen einer hohen Dämpfkraft
vorgesehen werden. Weil alle Glieder des freien Kolbens 2 mit
Ausnahme des O-Rings 9 aus Metall ausgebildet sind und
das Anbringen der Glieder an dem Hauptkörper 3 einfacher als
im Stand der Technik durchgeführt
werden kann, wo die Blase an dem freien Kolben befestigt wird, kann
der freie Kolben 2 einfach und kostengünstig hergestellt werden.
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Die
Differenz in der Kapazität
des Metallbalgs 4 in dem am weitesten verlängerten
Zustand, in dem der Stopper 8 eine weitere Verlängerung
verhindert, und in dem am weitesten kontrahierten Zustand wird vor
der Verschiebung des freien Kolbens 2 verwendet, um eine
Variation in der Kapazität
der Flüssigkeitskammer
R zu kompensieren. Die Differenz in der Kapazität wird zuvor gleich oder größer als
das maximale Eindringungsvolumen der Kolbenstange 11 in
den Zylinder 1 gesetzt.
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Wenn
sich der hydraulische Dämpfer
verlängert
und kontrahiert, wird der Kolben 10 in dem Zylinder 1 verschoben,
wodurch das sich zwischen der ersten Operationskammer R1 und der
zweiten Operationskammer R2 durch die Öffnung 10A bewegende
Arbeitsöl
einen Druckverlust erfährt,
und wird eine Dämpfungskraft
in Entsprechung zu dem Druckverlust in dem Dämpfer erzeugt.
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Wenn
sich der hydraulische Dämpfer
verlängert
oder kontrahiert, steht die Kolbenstange 11 von dem Zylinder 1 vor
oder dringt in den Zylinder 1 ein und verursacht eine Variation
der Kapazität
der Flüssigkeitskammer
R. Diese Variation in der Kapazität wird hauptsächlich durch
die Verlängerung/Kontraktion
des Metallbalgs 4 kompensiert.
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Wenn
der freie Kolben 2 in dem Zylinder 1 verschoben
wird, wirkt eine Reibungskraft zwischen dem O-Ring 9 und
dem Innenumfang des Zylinders 1 in einer zu der Verschiebung
des freien Kolbens 2 entgegen gesetzten Richtung. Solange
der auf den freien Kolben 2 wirkende Differenzdruck kleiner
als die Reibungskraft ist, bewegt sich der freie Kolben 2 nicht.
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Im
Gegensatz dazu verformt sich der Verlängerungs/Kontraktionsteil 5 des
Metallbalgs 4 schnell in Reaktion auf eine kleine Variation
in der Druckbalance zwischen der zweiten Operationskammer R2 und
der Gaskammer G. Diese Verformung hat eine Verschiebung des Scheitels 6 zur
Folge, der die Grenze zwischen den zwei Kammern R2, G bildet. Daraus
resultiert, dass die Kapazitäten
der zwei Kammern R2, G ohne Verzögerung
variieren, sodass die Drücke
in diesen Kammern ausgeglichen werden, auch wenn sich der freie
Kolben 2 aufgrund der Reibungskraft zwischen dem O-Ring 9 und
dem Innenumfang des Zylinders 1 nicht verschieben kann. Diese
Eigenschaft sieht einen vorteilhaften Effekt für die Dämpfungsleistung vor, um kleine
Oszillationen des Hydraulikdämpfers
zu dämpfen.
Der Metallbalg 4 kompensiert weiterhin eine Variation in
den Drücken dieser
Kammern in Übereinstimmung
mit einer Variation in der Temperatur.
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Wie
zuvor beschrieben, ist die Differenz in der Kapazität des Metallbalgs 4 zwischen
dem am meisten verlängerten
Zustand und dem am meisten kontrahierten Zustand gleich oder größer als
das maximale Eindringungsvolumen der Kolbenstange 11 in den
Zylinder 1 gesetzt, sodass die Variation in der Kapazität der Flüssigkeitskammer
R aufgrund der Verschiebung des Kolbens 10 durch die Verlängerung
oder Kontraktion des Metallbalgs 4 im wesentlichen kompensiert
wird. Daraus resultiert, dass der O-Ring 9 des freien Kolbens
nicht häufig
auf dem Innenumfang des Zylinders gleitet, sodass eine Vermischung
des Gases und der Flüssigkeit
aufgrund eines Gleitens des O-Rings 9 verhindert wird.
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Wenn
sich der hydraulische Dämpfer
jedoch zu der maximalen Verlängerungsposition
verlängert, kann
der sich verlängernde
Metallbalg 4 je nach der Temperaturbedingung in Kontakt
mit dem Stopper 8 kommen. In diesem Fall kann der freie
Kolben 2 in der Figur nach oben verschoben werden, um die
Drücke
in der Gaskammer G und in der Flüssigkeitskammer
R auszugleichen. Wenn eine große
Spannung auf den Verlängerungs/Kontraktionsteil 5 des
Metallbalgs 4 aufgrund einer Verlängerung des Metallbalgs 4 ausgeübt wird,
kann sich ein Riss in dem Verlängerungs-/Kontraktionsteil 5 bilden.
Weil bei diesem hydraulischen Dämpfer
der Stopper 8 eine Verlängerung
des Metallbalgs 4 über
die vorbestimmte Distanz hinaus verhindert, wird eine Beschädigung des Verlängerungs/Kontraktionsteils 5 verhindert
und kann die Dauerhaftigkeit und die Zuverlässigkeit des hydraulischen
Dämpfers
sichergestellt werden.
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Wenn
der Metallbalg 4 in Kontakt mit dem Stopper 8 kommt,
schließt
der Scheitel 6 das Kommunikationsloch 8a. Unmittelbar
bevor der Metallbalg 4 in Kontakt mit dem Stopper 8 kommt,
funktioniert das Kommunikationsloch 8a, dessen Querschnittfläche durch
den sich nähernden
Scheitel 6 verschmälert
wird, als Öffnung
in Bezug auf den Flüssigkeitsfluss
durch das Kommunikationsloch 8a von innerhalb des Stoppers 8 nach
außen.
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Dieses
Phänomen
erzeugt eine Dämpfungskraft,
die gegen eine Verlängerung
des Metallbalgs 4 wirkt. Diese Dämpfungskraft verhindert eine
Kollision zwischen dem Metallbalg 4 und dem Stopper 8 und erhöht die Dauerhaftigkeit
und die Zuverlässigkeit des
hydraulischen Dämpfers.
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Wenn
sich der hydraulische Dämpfer
zu dem Kontraktionslimit kontrahiert, kontrahiert sich auch der
Metallbalg 4 beträchtlich.
In bestimmten Fällen kann
die Kontraktion des Metallbalgs 4 die Druckbalance zwischen
der Gaskammer G und der Flüssigkeitskammer
R in Abhängigkeit
von der Temperaturbedingung nicht aufrechterhalten. In diesen Fällen kann
der freie Kolben 2 derart nach unten verschoben werden,
dass die Drücke
in den zwei Kammern G, R ausgeglichen werden.
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Indem
der Metallbalg 4 über
den Hauptkörper 2 oder
auf der zur Flüssigkeitskammer
gewandten Seite des Hauptkörpers 3 angeordnet
wird, kann eine größere Kapazität in der
Gaskammer G sichergestellt werden als wenn der Metallbalg 4 unter
dem Hauptkörper 3 oder
auf der zur Gaskammer gewandten Seite des Hauptkörpers 3 angeordnet
wird. Mit anderen Worten ist bei einer identischen Kapazität der Gaskammer
G die Verschiebungsposition des freien Kolbens 2 in dem
ersten Fall niedriger als in dem zweiten Fall, sodass in dem ersten
Fall der effektive Hub des Kolbens 10 länger ist und die gesamte Länge des
hydraulischen Dämpfers
kürzer
ist als in dem zweiten Fall. Es ist jedoch zu beachten, dass der Metallbalg
gemäß der Erfindung
nicht notwendigerweise über
dem Hauptkörper 3 angeordnet
sein muss. Auch wenn er unter dem Hauptkörper 3 angeordnet
ist, wird gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Variation in der Kapazität der Flüssigkeitskammer R mit guter
Reaktionsfähigkeit
kompensiert.
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Der
Inhalt des japanischen Patents Tokugan 2005-038643 vom 16. Februar
2005 ist hier unter Bezugnahme eingeschlossen.
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Die
Erfindung wurde mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben, wobei die Erfindung jedoch nicht auf die oben beschriebenen
Ausführungsformen
beschränkt
ist. Der Fachmann kann Modifikationen und Variationen an den beschriebenen
Ausführungsformen
vornehmen, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird.
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Zum
Beispiel ist in der vorstehenden Ausführungsform der Metallbalg 4 mit
einer Kapazität
versehen, die eine Variation in der Kapazität der Flüssigkeitskammer R in Entsprechung
zu dem maximalen Eindringungsvolumen der Kolbenstange 11 in
den Zylinder 1 kompensieren kann. Es ist jedoch auch möglich, die Kapazität des Metallbalgs 4 kleiner
zu setzen, sodass nur eine Variation in der Kapazität der Flüssigkeitskammer
R aufgrund einer kleinen Verschiebung des Kolbens 10 durch
eine Verlängerung oder
Kontraktion des Metallbalgs 4 kompensiert wird, während in
Bezug auf eine größere Verschiebung des
Kolbens 10 die Variation in der Kapazität der Flüssigkeitskammer R durch die
Verschiebung des freien Kolbens 2 kompensiert wird. Auch
in diesem Fall wird ein vorteilhafter Effekt des Absorbierens von kleinen
Oszillationen unter Verwendung eines Metallbalgs mit kleiner Kapazität erhalten.
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In
der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die Erfindung
auf einen hydraulischen Einrohr-Dämpfer angewendet, wobei die
Erfindung jedoch auf eine beliebige hydraulische Vorrichtung mit
einem freien Kolben zum Trennen von Gas und Flüssigkeit wie etwa einen Druckspeicher
angewendet werden kann.