DE202008002617U1

DE202008002617U1 - Anordnung zur Förderung von Fluiden

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Publication number: DE202008002617U1
Application number: DE202008002617U
Authority: DE
Original assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 2007-03-31
Filing date: 2008-02-23
Publication date: 2008-08-14
Anticipated expiration: 2018-02-24
Also published as: US8297948B2; EP2129920A1; US20100074777A1; WO2008119404A1

Abstract

Anordnung zur Förderung von Fluiden, welche aufweist:
Eine nach Art einer Kreiselpumpe ausgebildete Fluidpumpe (91), welche ein Pumpenrad (90) aufweist, das mit einem ersten Dauermagneten (92) verbunden ist;
einen elektronisch kommutierten Innenläufermotor (70) mit einem Stator (68), innerhalb dessen ein Rotor (60) mit einem zweiten Dauermagneten {64} drehbar angeordnet ist, welcher mit dem ersten Dauermagneten (92) nach Art einer Magnetkupplung (93) zusammen wirkt;
einen Spalttopf (52), welcher den Innerhalb dieses Spalttopfs (52) angeordneten ersten Dauermagneten (92) der Magnetkupplung (93) fluiddicht vom außerhalb des Spalttopfs (52) angeordneten zweiten Dauermagneten (64) des Innenläufermotors (70) trennt,
wobei der Stator (68) des Innenläufermotors (70) zumindest überwiegend radial außerhalb der Magnetkupplung (93) angeordnet ist;
und eine auf der Außenseite des Spalttopfs (52) angeordnete erste Achse (54), welche zur drehbaren Lagerung des Rotors (60) des Innenläufermotors (70) dient.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Förderung von Fluiden. Als Fluide können flüssige und/oder gasförmige Medien gefördert werden.
Besonders bei Computern werden heute Bauteile mit hohen Wärmestromdichten verwendet, z. B. 60 W/cm². Von diesen Bauteilen muss die Wärme zunächst in einen Flüssigkeitskreislauf überführt werden, und von dort wird sie über einen Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher an die Umgebungsluft abgegeben.
Die Ableitung der Wärme von Bauteilen mit hoher Wärmestromdichte erfolgt mittels so genannter Wärmeaufnehmer oder Cold Plates. In diesen wird die Wärme zu einer Kühlflüssigkeit übertragen, und diese wird gewöhnlich in einem Kreislauf in Zwangsumlauf versetzt.
Dabei durchströmt die Kühlflüssigkeit nicht nur den Wärmeaufnehmer, sondern auch eine Flüssigkeitspumpe, welche den Zwangsumlauf bewirkt und einen adäquaten Druckaufbau und einen adäquaten Volumenstrom durch den Wärmeaufnehmer und einen zugeordneten Wärmetauscher bewirkt, so dass die zugehörigen Wärmeübertragungskoeffizienten groß und die zur Wärmeübertragung notwendigen Temperaturgradienten klein werden.
Beim Wärmetauscher wird gewöhnlich ein Lüfter angeordnet, welcher auf der Luftseite des Wärmetauschers eine erzwungene Konvektion der Kühlluft und gute Übertragungskoeffizienten bewirkt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine neue Anordnung zur Förderung von Fluiden bereit zu stellen.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1. Man erhält so eine kompakte Anordnung mit gutem Wirkungsgrad.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt:
1 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Aufführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung,
2 einen vergrößerten Ausschnitt aus 1,
3 eine Variante zu 1 und 2,
4 eine raumbildliche Darstellung einer Krallenscheibe 120, und
5 den Krallenring 120 der 4 etwa im Maßstab 1:1.
In der nachfolgenden Beschreibung beziehen sich Begriffe wie oben, unten, links, rechts auf die jeweilige Figur. Gleiche oder gleich wirkende Teile werden, soweit möglich, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und nur einmal beschrieben.
1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung 20. Diese hat außen ein etwa zylindrisches Lüftergehäuse 22. Dieses ist durch schräg verlaufende Stege oder Speichen 32 mit dem zylindrischen Teil 36 eines Pumpengehäuses verbunden, das im fertigen Zustand durch einen Deckel 38 verschlossen ist, an dem sich ein Einlassrohr 40 befindet. Der Deckel 38 kann z. B. durch eine Klebeverbindung, durch Kunststoffschweißen, durch eine O-Ring-Dichtung etc. mit dem Teil 36 flüssigkeitsdicht verbunden sein.
Das Teil 36 geht in 1 auf seiner linken Seite über in einen – senkrecht zu einer Drehachse 42 verlaufenden – Abschnitt 44, der auf seiner radial inneren Seite in ein zylindrisches Spaltrohr 46 übergeht. An seinem in 1 linken Ende ist das Spaltrohr 46 durch einen Abschnitt 48 verschlossen, an welchem eine nach rechts in Richtung der Drehachse 42 ragende Achse 50 aus einem keramischen Werkstoff in geeigneter Weise befestigt ist. Das Spaltrohr 46 und der Abschnitt 48 bilden zusammen einen sog. Spalttopf 52. Dieser kann auch eine andere geometrische Form haben, als sie in 1 dargestellt ist.
Unter einem Spaltrohr bzw. Spalttopf versteht man im Elektromaschinenbau ein Bauteil aus einem nichtmagnetischen Material z. B. Kunststoff oder rostfreiem Stahl, das sich mindestens bereichsweise durch den Luftspalt eines magnetischen Kreises erstreckt und dort eine Fluidbarriere bildet, welche den magnetischen Fluss im Luftspalt nicht oder nicht wesentlich behindert. Im Englischen spricht man oft von einem "canned motor"
An den Abschnitt 48 schließt sich nach links eine nicht rotierende Achse 54 an. Sie hat eine äußere korrosionshemmende Schicht 49, die von einem Kunststoff gebildet wird, im Normalfall dem Kunststoff des Spalttopfs 52, mit dem diese Schicht 49 gewöhnlich einstückig ausgebildet ist. Innerhalb der Schicht 49 befindet sich die keramische Achse 50, welche also in diesem Fall die Funktion hat, zusammen mit der Kunststoffschicht 49 die zweite Achse 54 zu bilden und zu versteifen. Auf ihr ist mittels eines linken Wälzlagers 55 und eines rechten Wälzlagers 56 eine Hülse 57 aus weichferromagnetischem Werkstoff gelagert, die Teil eines Rotors 60, dessen Rotormagnet mit 64 bezeichnet ist. Die äußere, korrosionshemmende Schicht 49 bewirkt auch eine hermetischen Abschluss des von einer Flüssigkeit durchströmten Bereichs, der ein 1 rechts dargestellt ist. Hierdurch wird die Gefahr von Undichtigkeiten besonders klein.
Auch sorgt die umspritzte Schicht 49 dafür, dass Geradheit und Lauftoleranz der Achse 54 relativ zur Achse 50 und relativ zu einer nachfolgend beschriebenen Ausnehmung 72 weiter verbessert werden, was zu einem noch niedrigeren Körperschallpegel der gesamten Einheit führt.
Die Hülse 57 aus ferromagnetischem Werkstoff hat eine Doppelfunktion:

• Sie bildet einen magnetischen Rückschluss für den Rotormagneten 64, welch letzterer in 2 besonders deutlich dargestellt und als zylindrischer Ring aus magnetischem Werkstoff ausgebildet ist, der, wie dargestellt, bevorzugt radial magnetisiert ist, z. B. mit vier Polen, die in 2 teilweise angedeutet sind. Die Hülse 57 ist hierzu an einem in 2 unteren Bereich 58 mit der Innenseite des Rotormagneten 64 verbunden, z. B. durch Kleben oder Aufpressen.
• Sie bildet die Nabe eines Lüfterrads 80 beliebiger Bauart, das nachfolgend an einem Beispiel beschrieben wird und das sich im Betrieb um die nicht rotierende Achse 54 dreht, wobei es vom Rotor 60 angetrieben wird.

Wie 1 zeigt, ist der Magnetring 64 durch einen Luftspalt 66 getrennt vom Stator 68 eines elektronisch kommutierten Innenläufermotors (ECM) 70. Wie 1 zeigt, ist der Stator 68 in der zylindrischen Ausnehmung 72 eines Trägerteils 74 befestigt, das bevorzugt mit dem Abschnitt 44 einstückig ausgebildet ist. Der Magnetring 64 dreht sich im Betrieb um den Spalttopf 52 herum.
Auf der Hülse 57 ist das Lüfterrad 80 befestigt, das z. B. als Axial-, Diagonal- oder Radial-Lüfterrad ausgebildet sein kann. Es hat ein etwa zylindrisches äußeres Teil 81, dessen Außendurchmesser dem des Trägerteils entspricht, und an diesem Teil 81 sind die Lüfterflügel 82 in der dargestellten Weise angeordnet. Die Flügel 82 drehen sich im Betrieb innerhalb des Lüftergehäuses 22 und fördern Luft durch dieses. Bevorzugt ist das Lüfterrad 80 mittels Kunststoff-Spritzguss auf die Hülse 57 aufgespritzt. Dazu wird die Hülse 57 vor dem Spritzvorgang in das Spritzgusswerkzeug eingelegt. Alternativ kann das Lüfterrad 80 auch als Einzelteil hergestellt werden und anschließend auf die Hülse 57 aufgepresst oder aufgeklebt werden.
Auf der Achse 50 ist mittels eines Gleitlagers 89 das Pumpenrad 90 einer Kreiselpumpe oder sonstigen Strömungsmaschine 91 drehbar gelagert, das bevorzugt einstückig mit einem kunststoffgebundenen ersten Dauermagneten 92 ausgebildet ist. Letzterer hat bevorzugt die gleiche Zahl von Magnetpolen wie der Magnetring 76, der im Folgenden auch als zweiter Dauermagnet bezeichnet wird, und bildet mit diesem eine Magnetkupplung 93, welche durch den Spalttopf 92 hindurch das vom Motor 70 erzeugte Drehmoment auf das Pumpenrad 90 überträgt und dieses dadurch mit der Drehzahl des Rotors 60 antreibt.
Dadurch wird im Betrieb Flüssigkeit durch den Stutzen 40 in Richtung eines Pfeiles 94 angesaugt und durch einen nicht dargestellten Auslassstutzen nach außen gefördert.
Der Rotor 60 treibt also einerseits das Lüfterrad 80 durch eine direkte mechanische Kupplung an, andererseits das Pumpenrad 90 über die Magnetkupplung 93.
Sehr vorteilhaft, weil Platz sparend ist, dass der Motor 70 und die Magnetkupplung 93 ineinander verschachtelt sind, wobei der Magnet 92 des Pumpenrads 90 das innerste rotierende Element ist. Dies ermöglicht es, den Durchmesser des Magneten 92 so klein zu machen, wie das angesichts des zu übertragenden Drehmoments noch vertretbar ist.
Da der Magnet 92 direkt im gepumpten Fluid rotiert, haftet das unmittelbar an ihn angrenzende Fluid direkt an ihm und bewegt sich mit derselben Umfangsgeschwindigkeit.
An der Grenzfläche zum stationären Spalttopf 52 haftet dieses Fluid ebenfalls an, wodurch es dort still steht. Zwischen diesen beiden Extremwerten existiert ein monotones Geschwindigkeitsgefälle. Das Fluid im Spalt zwischen dem ersten Magneten 90 und dem Gehäuse 52 wird somit Scherspannungen ausgesetzt. Durch die Viskosität des Fluids ergeben sich Reibungsverluste. Maßgebend für diese ist der Durchmesser der rotierenden Flächen, welcher quadratisch in die Formel für das Reibungsmoment eingeht. Die Reibungs-Verlustleistung steigt also mit der dritten Potenz des Durchmessers (D³) der rotierenden Flächen an und kann bei der vorliegenden Erfindung folglich minimiert werden.
Die dargestellte und beschriebene Bauweise ermöglicht einen sehr hohen Wirkungsgrad einer solchen Pumpe, welche über eine Magnetkupplung 93 angetrieben wird, weil die rotierenden Flächen am ersten Magneten 92 klein ausgeführt werden können. Der kleinstmögliche Durchmesser wird, wie bereits gesagt, durch das Drehmoment bestimmt, welches von der Magnetkupplung 93 übertragen werden muss.
Würde der Durchmesser noch weiter verkleinert, so hätte dies eine Verminderung der Pumpleistung zur Folge, d. h. bei der beschriebenen Anordnung kann die Magnetkupplung so ausgelegt werden, dass man im Arbeitspunkt einen guten Wirkungsgrad erhält.
Eine weitere Optimierung ist möglich durch die Verwendung besonders hochwertiger Magnetwerkstoffe für die Dauermagnete 64 und 92. Hierdurch lässt sich der Durchmesser der rotierenden Flächen weiter reduzieren, was einen besonders hohen Wirkungsgrad ergibt, aber die Kosten erhöht.
Wie 1 und 2 zeigen, hat bei dieser Ausführungsform die Hülse 57 einen radial nach innen ragenden Vorsprung 100, welcher in 2 einen kurzen unteren zylindrischen Abschnitt 102 von einem langen oberen zylindrischen Abschnitt 104 gleichen Durchmessers trennt.
In den Abschnitt 102 wird der Außenring 105 des Wälzlagers 56 eingesetzt, und die in 2 untere Schulter 106 bildet einen Anschlag für die obere Schulter des Außenrings 105. Der Innenring 108 des Wälzlagers 56 ist auf die Achse 54 aufgeschoben.
Der Vorsprung 100 hat in 2 eine obere Schulter 110, die als Widerlager für das untere Ende einer Druckfeder 112 dient, deren oberes Ende gegen die untere Schulter des Außenrings 114 des oberen Widerlagers 55 dient. Dieses hat einen Innenring 116, dessen obere Schulter gegen ein Sicherungsglied 120 nach Art eines Sprengrings oder einer Krallenscheibe anliegt. Ein Beispiel einer Krallenscheibe 120 ist in 4 und 5 dargestellt.
Ein Sprengring wird, wie dargestellt, in einer Ringnut der Achse 54 befestigt, und die Krallenscheibe 120 kann direkt auf Maß bis zur gewünschten Position auf die Achse 54 aufgepresst werden. Aus Gründen der Dichtheit kann eine Krallenscheibe 120 besonders vorteilhaft sein. Die 4 und 5 zeigen eine typische Krallenscheibe 120 in vergrößertem Maßstab. Sie hat Krallen 121, die von einem äußeren Ring 123 radial nach innen ragen und sich bei der Montage in die Kunststoffschicht 49 der Achse 54 eingraben und dadurch den Innenring des Wälzlagers 56 in seiner Lage sichern. 5 zeigt die Krallenscheibe 120 etwa in natürlicher Größe, also im Maßstab 1:1.
Die gespannte Druckfeder 112 drückt den Außenring 114 des Wälzlagers 55 nach oben und verspannt dadurch den Außenring 114 gegen den Innenring 116, was einen ruhigen Lauf bewirkt.
Montage
Zuerst wird der Stator 74 montiert, an welchem die in 1 linke Achse 54 und die rechte Achse 50 angeordnet sind.
Dann wird das Wälzlager 56 auf die Achse 54 aufgeschoben, aufgepresst oder aufgeklebt. Anschließend wird der Rotor 60 eingesetzt, so dass die Schulter 106 des Vorsprungs 100 gegen den Außenring 102 des Wälzlagers 56 anliegt.
Alternativ kann auch erst das Wälzlager 56 in die Hülse 57 und den Abschnitt 102 eingeschoben, eingepresst oder eingeklebt werden, und danach wird der Rotor 60 mitsamt dem Wälzlager 56 auf die Achse 54 aufgeschoben oder aufgepresst.
Danach wird die Druckfeder 112 so eingesetzt, dass ihr unteres Ende gegen die Schulter 110 anliegt, und danach wird das Wälzlager 55 in die in 1 und 2 dargestellte Stellung gebracht, wobei die Feder 112 gespannt wird, und das Wälzlager 55 wird durch den Sprengring 120 in dieser Lage gesichert. Anschließend wird ein Deckel in eine dafür vorgesehene Ausnehmung 124 eingesetzt, um die Wälzlager 55 und 56 gegen Verschmutzung zu schützen. Ein solcher Deckel 230 ist in 3 dargestellt und beschrieben.
Die Wälzlager 55 und 56 lagern die Hülse 57 und mit ihr das Lüfterrad 80 und den Ringmagneten 64, der seinerseits im Betrieb vom Innenläufermotor 70 angetrieben wird. Die Pumpe 91 wird über die Magnetkupplung 93 angetrieben, wobei der Magnetring 64 des Innenläufermotors 70 mit dem Magnetring 92 des Pumpenrads 90 als Magnetkupplung 93 zusammen wirkt.
3 zeigt eine Variante zum ersten Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2. Diese Variante ist hinsichtlich der Pumpe 91, des Innenläufermotors 70 und der Achsen 50 und 54 identisch mit 1 und 2 und unterscheidet sich durch die Art der Lagerung, weshalb nur die abweichenden Teile dargestellt sind, um unnötige Längen zu vermeiden.
Auch bei 3 wird eine Hülse 157 aus weichferromagnetischem Werkstoff verwendet, auf deren Außenseite bei 58 der Rotormagnet 64 aufgeklebt oder aufgepresst ist, so dass die Hülse 157 als weichferromagnetischer Rückschluss für den Ringmagneten 64 dient, der gleich ausgebildet ist wie der Rotormagnet 64 nach den 1 und 2.
Die Hülse 157 dient auch als Trägerin für das Lüfterrad 80. Sie hat an ihrem in 3 rechten Ende eine nach innen ragende Schulter 160, die als Anschlag für ein rechtes Wälzlager 156 dient, das mit seinem Außenring 205 in die Hülse 157 eingebracht wird und das mit seinem Innenring 208 auf die Achse 54 aufgebracht wird, was beides durch Aufschieben, Aufpressen oder Aufkleben möglich ist.
In die Hülse 157 ist auch ein linkes Wälzlager 155 mit seinem Außenring 214 eingeschoben und dort durch einen Sprengring 220 abgestützt, der in eine Ringnut 222 auf der Innenseite 224 der Hülse 157 eingesetzt ist. Alternativ kann das Sicherungsglied 220 auch als Krallenscheibe ausgebildet sein, die auf Maß, also bis zur gewünschten Position, in die Hülse 157 eingepresst ist.
Der Innenring 216 des Wälzlagers 155 ist mit geringem Spiel auf der Achse 54 angeordnet, um eine Verspannung durch eine Druckfeder 212 zu ermöglichen, welche zwischen den beiden Innenringen 208, 216 auf der Achse 54 angeordnet ist. Durch sie werden die beiden Wälzlager 155, 156 gegeneinander verspannt, was einen besonders ruhigen Lauf der Anordnung 20 ergibt.
Im Vergleich zu 2 ergibt sich der Vorteil, dass die Feder 112 kleiner und dabei preiswerter sein kann, und dass es leichter ist, eine dauerhafte Ringnut 222 in dem Metallteil 157 herzustellen.
Montage
Die Montage ist ähnlich wie bei 1 und 2 beschrieben. Zuerst wird der Stator 68 montiert, gewöhnlich zusammen mit der Pumpe 91. Diese kann freilich auch nachträglich montiert werden.
Dann wird der Rotor mit dem Magnetring 64 und der Hülse 157 mit dem darin angeordneten Wälzlager 156 auf der Achse 54 montiert. Es folgen die Spannfeder 212, das linke Wälzlager 155, und endlich das Sicherungsglied 220, z. B. ein Sprengring oder eine Krallenscheibe.
Abschließend wird ein Deckel 230 montiert, der die Lager 155, 156 gegen Verschmutzung schützt.
Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen möglich.

Claims

Anordnung zur Förderung von Fluiden, welche aufweist: Eine nach Art einer Kreiselpumpe ausgebildete Fluidpumpe (91), welche ein Pumpenrad (90) aufweist, das mit einem ersten Dauermagneten (92) verbunden ist; einen elektronisch kommutierten Innenläufermotor (70) mit einem Stator (68), innerhalb dessen ein Rotor (60) mit einem zweiten Dauermagneten {64} drehbar angeordnet ist, welcher mit dem ersten Dauermagneten (92) nach Art einer Magnetkupplung (93) zusammen wirkt; einen Spalttopf (52), welcher den Innerhalb dieses Spalttopfs (52) angeordneten ersten Dauermagneten (92) der Magnetkupplung (93) fluiddicht vom außerhalb des Spalttopfs (52) angeordneten zweiten Dauermagneten (64) des Innenläufermotors (70) trennt, wobei der Stator (68) des Innenläufermotors (70) zumindest überwiegend radial außerhalb der Magnetkupplung (93) angeordnet ist; und eine auf der Außenseite des Spalttopfs (52) angeordnete erste Achse (54), welche zur drehbaren Lagerung des Rotors (60) des Innenläufermotors (70) dient.
Anordnung nach Anspruch 1, bei welcher für die Lagerung des Pumpenrads (90) auf der Innenseite des Spalttopfs (52) eine zweite Achse (50) vorgesehen ist, die mindestens teilweise aus einem keramischen Werkstoff besteht.
Anordnung nach Anspruch 2, bei welcher das Pumpenrad (90) der Fluidpumpe (91) mittels mindestens eines Gleitlagers (89) auf der zweiten Achse (50) gelagert ist.
Anordnung nach Anspruch 1 und 2, bei welcher der Spalttopf (52) aus einem Kunststoff gebildet ist, und die erste Achse (54) einen Kern aus einem formstabilen Werkstoff (50) aufweist, dessen Außenseite von einer korrosionshemmenden Schicht (49) umgeben ist.
Anordnung nach Anspruch 4, bei welcher die korrosionshemmende Schicht (49) mit dem Spalttopf (52) einstückig ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher als magnetischer Rückschluss für den Permanentmagneten (64) des Innenläufermotors (70) eine Hülse (57; 157) aus einem ferromagnetischen Werkstoff vorgesehen ist, welche mindestens einen Teil eines Lagerelements für die Lagerung dieses Permanentmagneten (64) bildet.
Anordnung nach Anspruch 6, bei welcher zur Lagerung der Hülse (57; 157) auf der ersten Achse (54) Wälzlager (55, 56; 155, 156) vorgesehen sind.
Anordnung nach Anspruch 7, bei welcher die Hülse (57; 157) mit einem nach innen ragenden Vorsprung (100; 160) versehen ist.
Anordnung nach Anspruch 8, bei welcher der nach innen ragende Vorsprung (100; 160) als Anlage für den Außenring (105; 205) eines Wälzlagers (55, 56; 155, 156) dient.
Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, bei welcher der Vorsprung (100) als Abstützung für ein Ende einer Druckfeder (212) dient, deren anderes Ende gegen einen Laufring (114) eines Wälzlagers (55) anliegt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei welcher in der Hülse (157) eine Ringnut (222) zur Aufnahme eines Sprengrings (220) vorgesehen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, bei welcher die erste Achse (54) auf ihrer von der Fluidpumpe (91) abgewandten Seite von einem Kunststoff (49) umgeben ist.
Anordnung nach Anspruch 12, bei welcher der Kunststoff fluiddicht ausgebildet ist, um den Verlust von Fluid aus der Fluidpumpe (91) zu minimieren.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher zur Sicherung eines Wälzlagers (114, 214) in der Anordnung ein Sicherungsglied (120, 220), insbesondere ein Sprengring oder eine Krallenscheibe, vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 14, bei welcher die Krallenscheibe (120; 220) auf Maß eingepresst ist.