DE2211096A1 - Membranpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe, insbesondere zur Vakuumerzeugung, wobei die Membrane in ihrem Mittelbereich mit einem Pleuel in Verbindung steht,' sowie in ihrem Randbereich am PumpJfeehäuse od.dgl» eingespannt ist.

Membranpumpe der eingangs erwähnten Art sind bereits bekannt, jedooh macht es Schwierigkeiten,.bei der Membranstellung im oberen Totpunkt den dann nooh vorhandenen schädlichen Totraum klein zu halten oder gar gans zu vermeiden. Dieser schädliche Raum verhindert eine höh© Vakuumbildung und vermindert somit die Leistung der Membranpumpe.

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Nicht mehr neu sind auch Membranpumpen, bei denen mehrere hintereinander sohaltbare Farnpenelemente um eine Antriebswelle herum angeordnet sind, jedoch lässt sich auch hiermit ein Vakuum nur wenig und dabei aufwendig verbessern.

(^insbesondere J

Der Erfindung liegtv^leAuTgäbe zugrunde, den schädlichen

Raum weitgehend zu vermeidenι auch soll· die Pumpen geräuschwerden, arm arbeiten und die Belastung der Membran in Grenze gehalten / Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht insbesondere darin, dass die Membrane als Formmembrane ausgebildet ist, deren mittlerer Teil den Oberteil des Pleuels bildet und mit. diesem verbunden ist, während der

Membranbereich sich als elastischer Membranteil einstückig daran radial naoh aussen erstreckend anschliesst, wobei die Form des Verdiohtungsraumes und die dem Verdichtungsraum zugewandte Oberseite der Membrane geometrisch so aufeinander abgestimmt sind, dass die Membrane sioh mit dieser Oberseite in der Verdrängungsposition, etwa im oberen Totpunkt, an die ihr benachbarte Wandung des Verdiohtungsraumes, praktisch vollständig anschmiegt.

Der auf diese Weise praktisch vollständig ausgeschaltete Totraum ermöglicht die Erzeugung eines sehr hohen Vakuums.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass die Formmembrane Im Bereich des zugehörigen Pleuelendes

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wenig elastisoh und der Verdichtungsraum dort kugelförmig ausgebildet sowie der Verdichtungsraumradius gleich oder etwas grosser als die Strecke zwischen Mitte Pleuellager bis Oberkante Mambraneist.

Es" ist auch zweckmässig, wenn in der Pormmembrane Zonen unterschiedlicher Elastizität vorgesehen sind, weil hierdurch speziell in den Randzonen das Anschmiegen an den Verdichtungsraum erleichtert wird. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn in wenigstens einem Bereich der Membrane eine die Elastizität verändernde Einlage vor- · gesehen ist, was vorzugsweise im zentralen Bereich, an dem die mit dem Pleuel verbundene Nabe angreift, eine formgebundene Versteifungseinlage hat, die dem gegenüberliegenden zentralen Bereich des Verdichtungsraumes angepasst ist. Diese Zonen unterschiedlicher Elastizität sowie die Versteifungseinlagen ermöglichen— der Membrane im Rhythmus der Pleuelbewegungen ein wiederkehrendes Anschmiegen an die anliegende Wandung des Verdichtungsraumes.

Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Kurbelgehäuse bzw. den Raum an der anderen, der dem Verdichtungsraum abgewandten Seite der Membrane liegenden Raum der Membranpumpe, als Uberdruckraum auszubilden, bei dem dieser auf die der ihm zugehörigen Rückseite der Membrane ein-

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wirkt. Hierbei kann z.B. durch ein an das Kurbelgehäuse angebrachtes Ansaugventil, in Verbindung mit einem Druckregelventil, ein vorgegebener geringer Überdruck einge- ■ stellt werden, der die weichen Zonen der Membrane im oberen Totpunkt an die Wandung des Verdichtungsraumes andrückt, und somit hier die Vakuumbladung fördert. Es kommt aber

auch eine Fremd-Druckluftzufuhr iryi'rage.

Es kann auch zweckmässig sein, dass die Membrane einen nabenförmigen Teil als Ansatzstück besitzt, mittels dessen sie mit dem Antriebspleuel in Verbindung steht. An dieses nabenförmige Teil ist ein Metallteil zur Befestigung an das Pleuel anvulkanisiert, so dass, entsprechend der Form und Elastizität dieses nabenförmigen Teiles die Membrane die schwingenden Bewegungen des Pleuels mitmachen muss oder dass sie diese Bewegungen eliminiert.

Man. kann die Membranpumpe auch als doppelwirkende Pumpe ausbilden und dementsprechend mit zwei sich spiegelsymmetrisöh gegenüberliegenden Membranen versehen. Dadurch erreicht man noch eine wesentlich höhere Vakuumbildung bei Hintereinanderschaltung der Pumpräume.

Nachstehend ist die Erfindung mit ihren als erfindungswesentlich zugehörenden Einzelheiten anhand der Zeichnung noch näher erläutert.

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Es zeigt jeweils im Längsschnitt:

Fig. 1 eine Membranpumpe mit der Pleuelstellung im oberen Totpunkt;

Fig. 2 die Membranpumpe nach Fig. 1 mit der Pleuelstellung im unteren Totpunkt;

Fig. 3 die etwas abgewandelte Membranpume mit einer seitlichen Pleuelstellung;

Fig. 4 die Membranpumpe gemäss Fig. 3, wobei die der Membran-Oberseite benachbarte Wandung etwas tiefer gezogen ist, so dass ßie näher an der Membrane liegt;

Fig. 5 eine Membranpumpe, deren Kurbelgehäuse K mit einem Saug- und Regelventil versehen ist sowie .

Fig. 6 eine zweistufige Ausführung einer erfindungsgemässen Membranpumpe.

Fig. 1 zeigt, wie sich bei einer Membranpumpe 1 die Membrane 2 beim oberen Totpunkt des Pleuels 3 formschlüssig an die Wandung 4 des Verdichtungsraumes anschmiegt. Gut ist hier die kugelförmige Ausführung der Berührungszonen von Membrane 2 und, Verdichtungsraum-Wandung 4 ersichtlich.

Fig. 2 veranschaulicht bei der unteren Stellung des Pleuels, wie die Wandung 4 sowie die Membrane 2 den Verdichtungsraum 5 bilden. Weiterhin zeigt die veränderte Form der Oberfläche

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der Membrane 2 die elastische Zone 21 im Bereich 6,7 bzw. 7¹ β¹ sowie die nahezu starre Zone 7*8,7'.

Wie gut aus Fig. J5 und 4 erkennbar, ist die Auslassöffnung 11 so angeordnet, dass sie erst bei Beendigung der entsprechenden Pleuel- Hubbewegung zuletzt abgedeckt wird. Infolgedessen und weil sich die Formmemhrane 2 praktisch vollständig an die ihr benachbarte Wandung 4 des Verdichtungsraumes anschmiegt, wird im eigentlichen Verdichtungsraum 5 jeder schädliche Totraum vermieden. Insgesamt bleibt dadurch der Totraum der gesamten Pumpe aussergewöhnlich klein entsprechend dem sehr geringen Volumen der Auslassöffnung 11. Bei der Abwärtsbewegung der Pleuelstange 9 wird entsprechend seiner Lage die Membrane 2 im Bereich 7' 6' als erstes von der Wandung 4 gelöst, folglich istf die Stelle mit dem Einlassventil 5o als erste freigelegt, was den Ansaugvorgang einleiten Iä3st, weloher beim unteren Totpunkt der Pleuelstange abgeschlossen ist. Wie in Pig. 4 weiterhin angedeutet ist, wird die Wandung 4 im Bereich 4^f der Membranzone 6,7 leicht auf diesen Membranteil zu nach unten vorgewölbt, um in diesem der Auslassöffnung nachfolgenden Bereich eine besonders gute sowie formschlüssige Anschmiegung zu bekommen, auch wenn dort der Ausschub-Druck grosser ist.

In Fig. 5 ,wird deutlioh, wie mit Hilfe eines Saugventils

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im Kurbelgehäuse K ein gewisser Überdruck, der durch ein Regelventil 13 konstant gehalten werden kann,- erzeugt wird. Auf diese Weise kann man einen geringen Überdruck im Kurbelgehäuse K herstellen, so dass eine unerwünschte Ausbeulung der Membrane 2 nach unten verhindert wird und es zusätzlich, gewährleistet ist, dass sich die Membrane 2 im oberen Totpunkt voll an die Wandung 4 des Verdichtungsraumes 5 anschmiegt. Dieser geringe Überdruck wird dadurch erreicht, dass das Saugventil 12 bei der nach oben bewegenden Membrane 4 Luft in das Kurbelgehäuse K ansaugt. Bei der Abwärtsbewegung der Membrane 4 wird diese Luft im Kurbelgehäuse K komprimiert und wenn der erwünschte Druck erreicht ist, kann die Luft über das auf diesen gewünschten Druck eingestellte Regelventil 13 abströmen.

Man kann aich mit Fremd-Druckluft arbeiten und. in das Kurbelgehäuse K einen leichten Überdruck einbringen, der mit dafür sorgt, dass die Formmembrane 2 in ihrer Obenstellung in der gewünschten Weise an die ihr benachbarte Wandung 4 des Verdichtungsraumes 5 vollständig zur Anlage kommt. . ■

Man kann die erfindungsgemässe Membranpumpe auch mehrstufig ausbilden, z.B. zweistufig wie es Fig. β zeigt. Bei dieser Ausführungsform können ggf. das Saug- und das · Regelventil. 12 und 13 gemäss Fig. 5 entfallen. Die erste

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Stufe mit der Membran 2 bewegt nämlich ein grösseres Hubvolumen innerhalb des Kurbelgehäuses K ala die zweite Stufe mit der Membrane 14 und der zugehörigen Wandung 15· Gegebenenfalls können aber auch bei der zweistufigen Ausführung der Pumpe nach Fig. β Saug- und Regelventile 12 und 13. gemäss Fig. 5 vorgesehen sein. Auch bei der Ausführung nach Fig. 6 ist wichtig, dass die zweite Stufe ohne schädlichen Totraum arbeitet. Dafür muss gewährleistet sein, dass auch die Membrane 14 sich ebenfalls vollständig an die Wandung 15 des zugehörigen Verdichtungsraumes anschmiegt. Bei Abwärtsbewegung der Membrane 2 der ersten Stufe und bei gleichzeitiger Aufwärtsbewegung der Membrane 14 der zweiten Stufe wird von der Membrane 2 der ersten Stufe mehr Luft verdrängt als die Membrane 14 der zweiten Stufe an Volumen freigibt, wodurch ein Überdruck im Kurbelgehäuse entsteht, der dafür sorgt, dass die Membrane 14 der zweiten Stufe völlig an der Wandung 15 des Verdichtungsraumes anliegt.

Während bisher bekannte Membranpumpen eine Vakuumbildung bis auf 76 Tor jpfermöglichtf} realisiert die einstufige Vakuumpumpe mit formschlüssiger Membrane, wie sie der Erfindung entspricht, ein Vakuum bis auf angenähert 1,5 Torr, und die zweistufige Membranpumpe mit formschlüssigen Membranen nähert sich annähernd auf 1 Torr dem Vakuum. Diese Angaben zeigen deutlich die Leistungssteigerung einer formschlüssigen Membranpumpe, gemäss dei^rfindung, gegenüber herkömmlichen Pumpen.

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Die Pig. 6 zeigt eine zweistufige Pumpe, wo zwei erfindungsgemäss ausgebildete Formmembranen 2 und 14 vorgesehen sind. Selbstverständlich kann man die erfindungsgemässe Pumpe auch in arjsich bekannterWeise mehrstufig ausbilden, z.B. drei-, vier-'stufig usw. Das in den ersten Förderraum 5 angesaugte Medium wird, wie.es Fig. 6 zeigt, in den (jeweils) nächsten Förderraum weitergeleitet, um so ein erhöhtes Vakuum zu erhalten. Entsprechendes würde bei Druckerzeugung gelten.

Beim Betrieb der Membranpumpe als Vakuumpumpe ergibt sich folgender Arbeitsablauf:

Wenn man von der Membranstellung gemäss Fig. 1 ausgeht, herrscht zunächst im Verdichtungsraum 5 Vakuum ( der Einfluss des Volumens des Fördermediums, das noch in dem Zufuhrkanal Io und dem Abfuhrkanal 11 sich befindet, wird bei dieser Betrachtung zunächst ausse/acht gelasserj. Für den Ansaugvorgang bewegen sich das Pleuel J5 und die Membrane 2 in die in Fig..2 dargestellte Position und es ist dann Fördermedium im Verdichtungsraum 5. Beim anschliessenden Ausschub-

, ν Wächst^

Hub (vergleiche Fig.3 oder Fig.4) eder Druck im Verdichtungsraum 5 an. Beispielsweise steigt bei der Vakuumerzeugung der Druck im Verdichtungsraum etwas über¹ 1 at,

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weil,das Fördermedium gegen den Atmosphären-druck ausgeschoben werden muß, zusätzlich aber noch beispielsweise der Ventilwi/£derstand und ein geringer Strömungswi/iiderstand überwunden werden müssen. Dementsprechend drückt beim Ausschieben vom Verdichtungsraum 5 her ein etwas grösserer Druck gegen die Formmembrane 2 als er von Selten des Kurbelgehäuses ausgeübt wird. Dadurch kann sich bei der Membrane 2, besonders in dem Abschnitt 6,7 eine Form einstellen, wie sie in Fig 4 dargestellt ist: Die Membrane neigt in einem gewissen Bereich dazu, etwas in Richtung zum Kurbelgehäuse sich durchzubiegen. Das würde die bezweckte, praktisch vollständige Vermeidung von totem Raum im Verdichtungsraum behindern. Erfindungsgemäss kann man dies durch unterschiedliche Maßnahme vollständig oder zumindest weitestgehend ausschalten. Eine dieser Maßnahmen ist in Fig,4 gut zu erkennen! Die Verdichtungsraum-Wandung

in
4 ist/dem B-ereich 4', wo die Membrane sich zum Kurbelgehäuse hin durchbiegen kann, entsprechend nach unten heruntergezogen. Trotz ungünstiger Druokverhältnisse von oben bzw. von unten auf die Membrane 2 im Wandungs-Bereich 4¹ kommt es zu einem vollständigen Anschmiegen der Membrane an die Kurbelgehäuse-Wandung 4.

Eine andere Lösung wird, dadurch erreicht, dass im Kurbelraum K ein höherer Druck herrscht als in dem Raum, in welohen das Ausschijöen des Fördermediums erfolgt, da^ heißt,

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normalerweise herrscht im Kurbelraum etwas tiberdruck gegenüber dem Atmosphärendruck, wenn Vakuum erzeugt werden soll. Herrscht beispielsweise im Kurbelgehäuse K ein Überdruck von 1,1 bis 1,2 Atmosphärenüberdruek(_>f_J4-/f_|2fl^y wird die Membrane 2 durch diesen Überdruck gemäss den Pfeilen PF Io in Fig.5 im kritischen Bereich gegen die Wandung 4 des Verdiohtungsraumes gedrückt). Selbstverständlich unterstützt dieser überdruck !auch in allen übrigen Bereichen das dichte Anliegen der Membrane 2 an die Wandung 4. Die vorerwähnten Maßnahmen gemäss Fig.4 oder Fig. 5 können selbstverständlich auch gleichzeitig durchgeführt werden; entsprechendes gilt sowohl für ein- als auch mehrstufige Membranpumpen.

Die erwähnte Kugelform des mittleren Bereiches der oberen Wandung 4 des Verdichtungsraumes 5 sowie die daran angepasste Umrissform der Membrane 2 bringt gegenüber vorbekannten, etwa pilzförmigen Querschnitten im Bereich des Antriebspleuels wesentlicheVorteiles Bei der vorbekannten, im Bereich der Verbindung von Pleuel und Membrane pilaförmigen Umrissform kann man mit den Rändern des Pilzes nicht so nahe an die Wandung 4 des Verdichtungsraumes 5 herangehen, wie es für ein vollständiges Anliegen der Membrane erwünscht wäre. Es besteht bei den vorbekannten geometrischen Ausbildungen von Pleuel^ Pleuelverbindungfhit der iMembrane sowie der zugehörigen vorbekannten Kontur der Wandung 4 des Verdichtungsraumes 5 die Gefahr,

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dass die Ränder des "Pleuelpllzes" sich dann zusehr der Wandung 4 nähern und z.B. eine starke Oerausohbildung und/oder eine Uberbeanspruohung der Membrane 2 erfolgt; oder aber man muß einen Rest von Totraum in Kauf nehmen. Die Kugelf«orm der Wandung 4 im mittleren, oberen Bereich und die entsprechende Ausbildung der Pormmembrane 2 in diesem Bereich, insbesondere mit den angegebenen Radius-Verhältnissen R 1 und R 2 ermöglicht nun, dass beim Verdichtungs- oder Ausschub-Hub sich die Formmembrane 2 entsprechend der Pleuelbewegung an der Wandung 4 abwälzt. Diese Abwälzbewegung begünstigt nicht nur das Anschmiegen der Membrane an die Wandung 4, sondern vermeldet auch Stossgeräusche und unnötige Relativbewegungen zwischen der Pormmembrane 2 und der Wandung 4, welche Versohlelssersoheinungen mit sich bringen können.

Schliesslich sei noch erwähnt, das die Übergänge 22 an der Pormmembrane 2 insbesondere durch eine Verdickung der Formmembrane realisiert werden, wie es gut aus dem Querschnitt der Membrane 2, z.B. in Fig. 1 und Fig. 2 zu erkennen ist. Die stärkeren Obergänge 22 sorgen dafür, dass die Bewilligung des «Pleuels nicht nur unmittelbar oberhalb der Pleuelstange, sondern auch seitlich davon zu den eingespannten Rändern der Membrane hin entsprechend durchgeführt wird. Dies wird duröh die etwa pilzförmige

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Umrissform und die unmittelbare.Verstärkung der Form-

• ·

membrane an den Stellen 7 und 7^f begünstigt.

Alle vorbeschriebenen Merkmale können einzeln oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlioh sein.

-Pat entansprüohe-

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Claims (12)

1. Patentansprüche

   It) Membranpumpe, insbesondere zur Vakuume-rzeugung, wobei die Membrane in ihrem Mittelbereich mit einem Pleuel in Verbindung steht sowie in ihrem Randbereich am Pumpengehäuse od.dgl. eingespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane als Formmembrane (2) ausgebildet ist, deren Mittlerer Teil den Oberteil des Pleuels (9). . bildet und mit diesem verbunden ist, während der Membranrandbereich sich als elastischer Membranteil einstückig daran radial nach aussen erstreckend anschliesst, wobei die Form

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   des Verdichtungsraumes und die dem Verdichtungsraum zugewandte Oberseite (2o) der Membrane (2) geometrisch so aufeinander abgestimmt sind» dass die Membrane (2) sich mit dieser Oberseite (2o) in der Verdrängungsposition an die ihr benachbarte Wandung (4) des Verdientungsraumes (5) praktisch vollständig anschmiegt.
2. 2. Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, dass die Formmembrane (2) im Bereich des zugehörigen .Pleuelendes (9) wenig elastisch und der Verdichtungsraum dort kugelförmig ausgebildet sowie der Verdiohtungsraumradius (Rl) gleich oder etwas grosser als die Strecke (R2) zwischen Mitte Pleuellager bis Oberkante Membran ist.

   1 \
3. 3. Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsraum-Innelcontur in dem Bereich, der den elastischen Zonen (21) der Membrane (2) entspricht, die Form eines Kegelstumpl'es (?o) hat.
4. 4. Membranpumpe nach einem oder mehreren der AnsprUohe 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass am Übergang vom wenig elastischen Teil der Membrane (2) zu deren elastischen flachen

   Zonen Übergänge (22) an der Membrane (2) vorgesehen sind, dio einen derartigen Querschnitt haben, dass sie eine

   an die Wandung (4) Anpassung der gesamten Membran-Oberseite (2o)/des Verdichtungsraumes begünstigen.

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   4b
5. 5. Membranpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Formmombrane (2) Zonen unterschiedlicher Elastizität vorgesehen sind.
6. 6. «Membranpumpe nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet,

   dass in wenigstens-einem Bereich der'Membrane (2) eine die Elastizität versteifende Einlage vorgesehen ist, vorzugsweise im zentralen Bereich eine Versteifungseinlage
7. 7· Membranpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurbelgehäuse (K) od.dgl. Raum der Membranpumpe als Überdruckraum ausgebildet ist, bei dem dieser überdruck auf die Rückseite (24) der Membrane (2) einwirkt·.
8. 8. Membranpumpe nach Anspruch 7* daduroh gekennzeichnet, dass an dem Kurbelgehäuse (K) od.dgl. ein Ansaugventil (12) und vorzugsweise ein Druckregelventil vorgesehen sind.
9. 9. Membranpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane (2) einen nabenförmigen Teil od.dgl» Ansatzstück besitzt,

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   mittels dessen sie mit dem Antriebspleuel (3) in Verbindung steht. ' ,
10. 10. Membranpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche

    1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an der Membrane

    (2) ein Metallteil (2β) befestigt, vorzugsweise ante) vulkanisiert ist, mittels dessen die Membrane mit der

    Pleuel-Stange (9) verbunden ist.

    idie mehrstufig ausgebildet
11. 11. Membranpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche?^

    Z.B '

    i lliie ,to, dadurch gekennzeichnet, dass/etwa spiegelsymmetrisch zur ersten Membrane (2) eine zweite Formmembrane (14) angeordnet ist, die in Verblndungmit der ersten,Teil einer zweistufigen Vakuumpumpe 1st.
12. 12. Membranpumpe naoh einem oder mehreren der AnsprUohe

    1 bis 1-1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (4) bei dem bei Aufwärtsbewegung des Pleuels zuletzt an den Verdichtungsraum anschmiegenden Teil der. Membrane (2) etwas verdickt 1st.

    13· Membranpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, daduroh gekennzeichnet, dass die Membrane (2) in dem Bereich, wo sie sich beim Arbeitshub zuletzt an die Wandung (4) des Verdichtungsraumes (5) anlegt, etwas naoh oben gezogen und/oder verdickt ausgeführt ist.