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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Entlüftung einer Pumpe.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Arten von Pumpen unter unterschiedlichen Bezeichnungen bekannt, die nach ihrem technischen Aufbau oder ihrer Funktion bezeichnet sind, z.B. Kolbenpumpen, Dosierpumpen, Membranpumpen, etc.
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Bei einer Hubkolbenpumpe als Dosierpumpe kommt beispielsweise ein mechanisch betriebener Kolben zum Einsatz, der in einem Zylinder läuft. Dieser Kolben wird dabei mit einem Zulauf und einem Ablauf kombiniert, die jeweils durch ein Ventil verschlossen sind. Im ersten Takt, beim Ansaugen, bewegt sich der Kolben derart, dass sich das Volumen im Zylinder vergrößert und somit bei geöffneten Einlassventil Förderfluid in den Zylinder strömt. Anschließend wird das Einlassventil geschlossen und das Auslassventil geöffnet, und der Kolben bewegt sich im Zylinder derart, dass sich das Volumen in diesem wieder verkleinert und somit das Förderfluid aus dem Auslassventil austritt.
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Die alternativ ebenfalls bekannten Membranpumpen besitzen demgegenüber einen Förderraum mit einem Sauganschluss und einem Druckanschluss sowie einen Arbeitsraum, der durch eine Membran von dem Förderraum getrennt ist. Um ein Medium zu fördern, wird die Membran oszillierend zwischen einer ersten und zweiten Position hin- und her bewegt, in dem der Arbeitsraum mit einem Hydraulikfluid befüllt ist, welches mit einem oszillierenden Druck beaufschlagt wird. Die zwei Positionen der Membran werden dabei meist als Druckhubposition und als Saughubposition bezeichnet.
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Hydraulisch betriebene Membranpumpen kommen bevorzugt bei der Förderung von Förderfluiden unter hohen Drücken zum Einsatz, da durch das Hydraulikfluid eine gleichmäßige Belastung der Membran erfolgt und diese somit eine hohe Lebensdauer aufweist.
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Die bekannten Pumpen haben den Nachteil, dass die Entlüftung derselben aufwendig ist. Diese erfolgt gemäß dem Stand der Technik mittels Entlüftungsventilen.
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Die Entlüftung der Dosierpumpen ist oftmals vorteilhaft, denn es ergeben sich während des Pumpbetriebs verschiedene Situation, die eine ungewünschte Ansammlung von Luft innerhalb der Pumpe verursachen können. Beispielsweise kann während der Ansaugphase bei geöffnetem Einlassventil durch den Widerstand des gewöhnlich engen Einlassventils bedingt ein Druckabfall auftreten, welcher beim Fördern von Flüssigkeiten mit hohem Dampfdruck zu einer Dampfblasenbildung, oder beim Fördern gasförmiger Medien zu einer unvollständigen Füllung im Arbeitsraum der Pumpe führt.
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Dadurch wird ein genaues Dosieren vereitelt. Während des anschließenden Druckhubes, wenn die Flüssigkeit aus dem Arbeitsraum der Pumpe über das Auslassventil ausgedrückt wird, ist ein Austrieb der gebildeten Dampfblasen nicht gewährleistet.
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Das genaue und reproduzierbare Dosieren geringster Mengen flüssiger oder gasförmiger Medien im Mikroliterbereich erfordert daher, dass sichergestellt wird, dass die Pumpen zu jeder Zeit entlüftet sind.
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Dieses Sicherstellen der Entlüftung gestaltet sich als aufwendig, wenn die Entlüftung immer manuell vorgenommen werden muss. Dabei ist insbesondere auf die Dauer und Handhabung der Entlüftung zu achten, wobei insbesondere eine Überwachung des Dosierstroms vorteilhaft ist. Um diesen manuellen Eingriff zu verhindern, sind auch Konzepte zur dauerhaften Entlüftung bekannt. Diese weisen jedoch den Nachteil auf, dass hydraulische Verluste auftreten.
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Unabhängig von der Art der Entlüftung mittels Ventilen, ob manuell oder dauerhaft, ergeben sich für diese besonderen Anforderungen an die Einbaulage. Dabei kann es auch vorkommen, dass die Ventile beschädigt werden oder ausfallen, und zudem stellen Ventile einen Kostenfaktor in der Herstellung dar.
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Es wäre daher wünschenswert, wenn eine Entlüftung automatisiert erfolgen könnte, ohne dass in den laufenden Betrieb der Pumpe umfassend eingegriffen werden muss, und ohne dass hydraulische Verluste auftreten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher darin, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden, und insbesondere Pumpen zu liefern, die mit einfachen Mitteln ein automatisiertes Entlüften derselben ermöglicht. Diese Aufgabe wird gelöst durch Dosierpumpen für Fluide mit einem Kolben, mindestens einem Einlassventil, mindestens einem Auslassventil und einem oszillierenden Antrieb, der den Kolben von einer oberen in eine untere Totpunktlage und umgekehrt überführt, wobei der Kolben über die obere und/oder die untere Totpunktlage hinaus auslenkbar bzw. ausgelenkt ist, wobei im Falle eines Überschreitens der oberen und/oder der unteren Totpunktlage ein Entlüftungskanal freigegeben wird, der den Arbeitsraum der Dosierpumpe mit deren Umgebung der Pumpe zur Entlüftung verbindet.
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Der Erfindung liegt dabei die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass sich im Arbeitsraum befindliche Gase, insbesondere Luft, durch die Buchse des Kolbens nach außen tragen lassen. Somit wird ein Verzicht auf Entlüftungsventile ermöglicht.
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Der Erfindung liegt dabei insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass der Kolben über seine Totpunktlagen hinaus bewegt werden kann. Unter einer Totpunktlage soll dabei einen Punkt verstanden werden, bei dem im normalen Pumpbetrieb keine axiale Bewegung des Kolbens auftritt, die über diesen Totpunkt hinausgeht. Ein erfindungsgemäßer Totpunkt ist also der Punkt, bei der eine Richtungsumkehr des Kolbens im normalen Pumpbetrieb stattfindet.
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Die erfindungsgemäße Dosierpumpe in Form einer Kolbenpumpe muss nicht zwingend aus einem festen Kolben bestehen. Eine Membran erfüllt ebenfalls das Prinzip des Kolbenhubs, wobei die Membran über einen dahinter gelegenen Hubkolben angetrieben werden kann. Auch ein solcher Hubkolben soll dabei vorliegend von dem Begriff „Kolben“ umfasst sein.
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Darüber hinaus gibt es auch Pumpen mit zwei Hubkolben, die ihre Arbeitsschritte abwechselnd vollziehen. Diese doppelten Kolbenpumpen werden auch als Inline-Pumpen bezeichnet. Auch diese Pumpenform soll von der vorliegenden Erfindung umfasst sein, wobei einer oder beide Kolben in Form eines erfindungsgemäßen Kolbens ausgebildet sein können.
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Die Bezeichnung „Umgebung“ soll dabei breit verstanden werden. Dies kann eine Entlüftung der Pumpe in Umwelt bedeuten oder in die direkte Umgebung der Pumpe als solche, beispielsweise in eine Reserve, wobei der Begriff Umgebung insbesondere bedeuten soll, dass es sich nicht um den Arbeitsraum handelt.
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Die erfindungsgemäße Idee, die Funktionalität der Entlüftung durch den Kolben bereitzustellen, in dem dieser über die eigentlichen Arbeitswege hinaus ausgelenkt wird, und somit einen Entlüftungskanal freigibt, geht dabei insbesondere mit dem Vorteil einher, dass zusätzliche Entlüftungsmittel wie Ventile etc. nicht zum Einsatz kommen müssen. Auch kann das bislang manuelle Entlüften durch eine elektronische Ansteuerung des Kolbens der Pumpe automatisiert werden. Es fallen somit nicht nur teure und potentiell fehleranfällige Ventile weg, auch die Arbeitszeit zur Wartung wird reduziert, da das manuelle Lüften entfällt. Durch automatisierte Entlüftungszyklen wird zudem die Zuverlässigkeit und Qualität der Pumpe gesteigert.
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Dabei kann es insbesondere vorteilhaft sein, dass der Antrieb oberhalb des Einlassventils und des Auslassventils angeordnet ist, und insbesondere der Kolben von Oben in den Arbeitsraum eingeführt ist.
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Es hat sich gezeigt, dass sich die zu entlüftenden Gase bevorzugt im oberen Bereich der Pumpen ansammeln.
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Des weiteren hat es sich gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als vorteilhaft erwiesen, dass der Kolben mit dem Antrieb direkt oder indirekt mit einem Verbindungsmittel verbunden ist, und der Kolben und/oder das Verbindungsmittel mindestens abschnittsweise durch eine Durchführung des Gehäuses des Arbeitsraums geführt ist, wobei der Öffnungsquerschnitt der Durchführung des Gehäuses in dem zum Arbeitsraum gewandten Ende und der äußere Querschnitt des Kolbens mindestens entlang der Länge des Arbeitshubs des Kolbens eine, insbesondere vollständig, für das Förderfluid abdichtende Verbindung ausbilden.
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Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Durchführung des Gehäuses beabstandet von dem dem Arbeitsraum zugewandten Ende der Durchführung abschnittsweise einen größeren Querschnitt aufweist und/oder mit einer weiteren Durchführung in Wirkverbindung steht, so dass bei einer Auslenkung des Kolbens über die obere Totpunktlage hinaus eine Verbindung zwischen Arbeitsraum und Pumpenumgebung besteht.
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Wird der Kolben über die obere Totpunktlage hinaus bewegt, so gibt der Kolben die Durchführung abschnittsweise frei, wobei der dann beabstandet von dem Arbeitsraum ausgebildete größere Querschnitt und/oder eine weitere Durchführung zur Entlüftung mit freigegeben wird.
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Es werden somit keine weiteren Bauteile benötigt, um die Entlüftung durchzuführen. Dies reduziert die Kosten und erhöht die Zuverlässigkeit, da keine zusätzlichen Bauteile beschädigt werden oder ausfallen können.
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Ein weitere Vorteil liegt dabei darin, dass bei einem Verfahren des Kolbens über den oberen Totpunkt hinaus zur Entlüftungsposition die Gase bei einer strömungsgünstigen Ausgestaltung mitgezogen werden können, so dass die Entlüftung besonders schnell und zuverlässig möglich ist.
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Um zu verhindern, dass beim Wiedereintauchen des Kolbens ein zu hoher Druck im Inneren erzeugt wird und um eine Überfüllung der Hydraulik zu vermeiden, kann es vorgesehen sein, dass im Anschluss an eine Entlüftung ein verkürzter Saughub vorgesehen ist, bis der innere Druck bwz. die Läuferkraft im gewünschten Bereich liegt und der Kolben sich wieder zwischen den beiden Totpunktlagen bewegt.
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Alternativ kann es vorgesehen sein, dass der äußere Querschnitt des Kolbens beabstandet von dem Arbeitshubabschnitts des Kolbens auf der dem Antrieb zugewandten Seite des Kolbens und/oder das Verbindungsmittel mindestens abschnittsweise einen geringeren Durchmesser aufweist als im Arbeitshubabschnitt des Kolbens, so dass bei einer Auslenkung des Kolbens über die untere Totpunktlage hinaus eine Verbindung zwischen Arbeitsraum und Pumpenumgebung besteht.
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Anstelle den Kolben nach oben in die Durchführung über die obere Totpunktlage hinaus zu bewegen, ist es auch bevorzugt, dass der Kolben über die untere Totpunktlage hinaus bewegt wird, so dass der verringerte Querschnitt des Kolbens und/oder des Verbindungsmittels die Verbindung zur Pumpumgebung zur Entlüftung freigibt.
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Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Kolben zur Änderung des äußeren Querschnitts eine Aussparung umfasst, insbesondere eine Aussparung ausgebildet zur Bereitstellung eines Ringkanals.
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Dabei bildet der Kolben einen umlaufenden Rücksprung gemäß einer Ausführungsform aus, wobei durch ein Steuern, wie weiter der Kolben über den unteren Totpunkt verfahren wird, die Entlüftung schneller oder langsamer erfolgen kann.
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Es hat sich gezeigt, dass eine solche verkleinerte Geometrie des Querschnits sich als besonders positive Ausgestaltung erwiesen hat.
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Es kann des weiteren bevorzugt sein, dass die Querschnittsänderung derart an dem Kolben angeordnet ist, dass eine Überschreitung des unteren Totpunkts von bis maximal 20%, insbesondere von maximal 10%, bevorzugt von maximal 5%, bezogen auf die Länge des Arbeitshubs, die Verbindung zwischen Arbeitsraum und Pumpenumgebung mindestens teilweise, insbesondere vollständig, freigibt.
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Durch eine solche engere Anordnung des verringerten Querschnitts an Arbeitsraum kann eine schnelle Entlüftung erfolgen, die auch regelmäßig stattfindet, wobei durch den geringen Hub eine Überfüllung der Hydraulik verhindert wird. Jedoch führt diese eng benachbarte Anordnung dazu, dass hydraulische Verluste zu erwarten sind, die bei einer weiter beabstandeten Anordnung der reduzierten Querschnitte reduziert sind bzw. nicht auftreten.
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Des weiteren kann es vorteilhaft sein, dass eine Aussparung im Arbeitsraum an oder benachbart zu dem dem Arbeitsraum zugewandten Ende der Durchführung vorgesehen ist, um zu entlüftende Gase zu sammeln.
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Auch kann es vorgesehen sein, dass der Kolben in einem Zylinder geführt ist und/oder eine Pumpe mit einem Linearmotor zum Einsatz kommt.
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Auch liefert die Erfindung ein Verfahren zum Entlüften einer erfindungsgemäßen Dosierpumpe, umfassend die folgenden Schritte, insbesondere in dieser Reihenfolge:
- a) Bewegen des Kolbens über den oberen Totpunkt hinaus und anschließendes Bewegen des Kolbens in Richtung des unteren Totpunkts; oder
- b) Bewegen des Kolbens über den unteren Totpunkt hinaus und anschließendes Bewegen des Kolbens in Richtung des oberen Totpunkts; und
- c) mindestens zeitweises Entlüften der Pumpe, solange sich der Kolben oberhalb des Totpunkts in Schritt a) oder unterhalb des Totpunkts in Schritt b) befindet.
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Dabei kann es insbesondere vorgesehen sein, dass beim Verfahren des Kolbens über den oberen Totpunkt hinaus gemäß Schritt a) die zu entlüftende Luft mit dem Kolben nach oben gezogen wird.
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Auch kann es vorgesehen sein, dass die Kraft des Kolbens und/oder der Kraftverlauf des Pumpenantriebs nach dem Entlüften von einer Regeleinrichtung ausgewertet wird, und die Bewegung des Kolbens basierend aus Schwellwerten der Kolbenkraft und/oder des Kraftverlaufs geregelt wird.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass im Falle des Überschreitens des Schwellwerts der Kraft der Kolben nur bis zu einem vorgegeben Abstand zum unteren und/oder oberen Totpunkt bewegt wird, so dass der Saughub verkürzt wird, und erst nach Einhaltung des Schwellwerts der Kolben wieder bis zu dem unteren und/oder oberen Totpunkt bewegt wird.
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Hierdurch wird insbesondere eine Überfüllung der Hydraulik und somit eine Überlastung der Ventile und/oder einer Membran verhindert, indem die Füllmenge in dem Arbeitsraum reduziert wird bis zur optimalen Füllmenge.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Kolben nach dem Bewegen über den unteren oder den oberen Totpunkt mit einer Geschwindigkeit X wieder zurück geführt wird, wobei die Geschwindigkeit X geringer ist als die minimale Pumpgeschwindigkeit, insbesondere 50% geringer, vorzugsweise 30% geringer, sonders bevorzugt 15% geringer, so dass insbesondere überschüssiges Fluid über eine vorhandene Spaltleckage der Dosierpumpe entweichen kann.
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Auch mittels dieses Verfahrensschritts kann eine Überfüllung der Hydraulik verhindert werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen beispielhaft erläutert wird, ohne dadurch die Erfindung zu beschränken.
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Dabei zeigt:
- 1: eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dosierpumpe; und
- 2: eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dosierpumpe
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In 1 ist beispielhaft eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dosierpumpe 1 gezeigt.
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Die Dosierpumpe 1 weist dabei einem Kolben 3 auf, welcher in einem Arbeitsraum 5 beweglich gelagert ist. Der Arbeitsraum 5 und der Medienraum 21 sind durch eine Membran 19 hydraulisch gekoppelt. An die Medienkammer 21 sind zudem Einlass- und Auslassventile 7, 9 verbunden, so dass über eine oszillierende Bewegung des Kolbes 3 ein Pumpen von Fluiden erfolgt. Ein Antrieb des Kolbens 3 ist dabei nicht gezeigt, aber vorzugsweise oberhalb des Arbeitsraums 5 axial zum Kolben 3 angeordnet.
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Wird der Kolben 3 über die obere Totpunklage 11 hinaus nach oben bewegt, so wird ein Entlüftungskanal freigegeben. Dies wird dadurch realisiert, dass der Kolben 3 mit dem nicht gezeigten Antrieb direkt verbunden ist, wobei der Kolben 3 durch eine Durchführung 15 des Gehäuses des Arbeitsraums 5 geführt ist, wobei der Öffnungsquerschnitt der Durchführung 15 des Gehäuses in dem zum Arbeitsraum 5 gewandten Ende und der äußere Querschnitt des Kolbens 3 entlang der Länge des Arbeitshubs des Kolbens 3 eine für das Förderfluid abdichtende Verbindung ausbilden.
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Dabei weist die Durchführung 15 des Gehäuses beabstandet von dem dem Arbeitsraum 5 zugewandten Ende der Durchführung 15 einen größeren Querschnitt auf, so dass bei einer Auslenkung des Kolbens 3 über die obere Totpunktlage 11 hinaus eine Verbindung zwischen Arbeitsraum und Pumpenumgebung besteht.
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Dabei kann auch eine Aussparung 17 vorgesehen sein, in der sich Gase sammeln, um die Entlüftung weiter zu beschleunigen.
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Eine alternative Ausführungsform ist in 2 gezeigt. Dabei weist der äußere Querschnitt des dort gezeigten Kolbens 3' beabstandet von dem Arbeitshubabschnitt des Kolbens auf der dem nicht gezeigten Antrieb zugewandten Seite des Kolbens einen geringeren Durchmesser auf als im Arbeitshubabschnitt des Kolbens 3', so dass bei einer Auslenkung des Kolbens 3' über die untere Totpunktlage 13 hinaus eine Verbindung zwischen Arbeitsraum 5 und Pumpenumgebung besteht.
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Wie vorliegend in 2 gezeigt, bildet sich durch den geringen Querschnitt des Kolbens ein Ringkanal gemeinsam mit der Durchführung 15 aus, der der Entlüftung dient, wobei je weiter der Kolben 3' über die untere Totpunktlage 13 hinausbewegt wird, desto größer wird der Öffnungseinlass.
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Die in der voranstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
