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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Pumpen, und insbesondere Taumelmembranpumpen.
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Taumelmembranpumpen,
wie etwa solche, die in Luftkompressoren zum Einsatz kommen, besitzen
typischerweise einen oder mehrere Kolben, die an einer drehbaren
Welle angebracht sind, die durch einen geeigneten Motor exzentrisch
angetrieben ist, um jeden Kolben in einer Kompressionskammer zum Hin-
und Herlaufen zu bringen. Eine Art von Membranpumpe weist ein nachgiebiges
Dichtungselement bzw. eine Membran auf, das bzw. die an einem Gehäuse an seinem
Umfangsrand festgelegt und am Flansch des Kolbens angebracht ist.
Wenn der Kolben hin- und herläuft,
biegt die Membran ein und aus. Unter Verwendung eines geeigneten
Ventilaufbaus, der Ansaug- und Auslassventile (wie etwa Klappenventile)
aufweist, die abwechselnd während
Saug- und Pumphüben öffnen und
schließen,
bewegt die hin- und herlaufende Bewegung Luft in die Kompressionskammer
hinein und aus dieser heraus. Eine Druckschrift gemäß dem Stand
der Technik ist die
JP 59051179A ,
die eine Membranpumpe in Übereinstimmung
mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart. Eine weitere Druckschrift
gemäß dem Stand der
Technik ist die
US 1992491A .
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Ein
Problem herkömmlicher
Taumelmembranpumpen besteht darin, dass sich ihr Zusammenbau schwierig
gestalten kann. Die Hülle
der Elektromotoreinheit wird insbesondere häufig auf dem Gehäuse im Presssitz
angebracht, an dem der Motor gelagert ist. Die Kolben müssen deshalb
an der Welle so angebracht werden, dass die Kolbenverbindungsstange
nach unten durch ein Loch im Boden der Kompressionskammer eingeführt wird
und so weit angewinkelt ist, wie dies erforderlich ist, um mit einer Bohrung
in der Verbindungsstange über
der Welle zusammenzupassen. Ein Lager und ein Exzenterelement müssen außerdem auf
der Welle und innerhalb der Verbindungsstange angebracht werden.
Dies macht es schwierig, die Verbindungsstange an der Welle korrekt
zu positionieren. Weil eine korrekte Anbringung des Kolbens nicht
gewährleistet
ist, kann dies zu einer Fehlausrichtung führen, die zu Pumpenstartproblemen
führt,
wie etwa zu einem Motorfestfressen, zu einem Membranschlag "Slap", bzw. dazu, dass
unnormal viel Storm gezogen wird, und zu einer verkürzten Arbeitslebensdauer.
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Für herkömmliche
Kolbenpumpen ohne Membranen kann der Kolbenaufbau problemloser ausgeführt werden,
indem ein Gehäuse
mit offenem Kragen verwendet wird. Dies erlaubt es, dass ein Monteur
die Welle in das Gehäuse
ausgehend von einem Ende des Gehäuses
einführt
und die Verbindungsstange durch den offenen Kragen und auf die Welle
gleitend, bis sie in der korrekten Position auf der Welle in Sitz
gelangt. Sobald sie korrekt angebracht ist, kann der offene Hals
durch eine Endkappe verschlossen werden, die an dem Gehäuse festgelegt
ist.
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Während dies
für herkömmliche
Kolbenpumpen eine geeignete Vorgehensweise darstellt, muss die Membran
in Membranpumpen über
ihren gesamten Umfang nach unten gehalten werden, um eine Dichtung
zu bilden und korrekte bzw. geeignete Druckdifferenzen zu erzeugen.
Ein offener Kragenzylinder bzw. ein mit Kragen versehener Zylinder
führt üblicherweise
dazu, dass die Membran am Spalt in dem Hals keine Abstützung erfährt, weshalb
sie in einer derartigen Pumpe nicht verwendet werden kann.
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Es
besteht deshalb ein Bedarf an einer Pumpe, die einen einfacheren
und exakteren Zusammenbau erlaubt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung löst
die Probleme des Standes der Technik durch Bereitstellung einer Membranpumpe
mit einem Gehäuse
mit einem offenen Kragen und einem getrennten Trag- bzw. Stützring (im
Folgenden Trag- bzw. Stützring
genannt), der den offenen Kragen verschließt und die Membran um ihren
gesamten Umfang trägt
bzw. abstützt.
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Insbesondere
stellt die vorliegende Erfindung eine Membranpumpe bereit, die einen
Taumnelkolben aufweist, der an einer drehbaren Welle an einem Ende
exzentrisch angebracht ist und ein nachgiebiges Dichtungselement
aufweist, das an einem gegenüberliegenden
Ende angebracht ist. Ferner umfasst die Pumpe ein Gehäuse und
einen Stützring. Das
Gehäuse
legt ein Kurbelgehäuse
fest, das sich axial über
die Welle hinaus bis zu einem offenen Zugangsende erstreckt, und
einen Kragen, der sich senkrecht zu der Achse der Welle erstreckt.
Der Kragen besitzt einen offenen Schlund bzw. einen Durchlass, der
sich zum Zugangsende des Kurbelgehäuses erstreckt. Der offene
Durchlass erlaubt es, dass der Kolben relativ zu der Welle durch
den Durchlass und auf die Welle axial bewegt wird. Der Stützring ist an
dem Gehäuse über dem
Durchlass so angebracht, dass er den Durchlass überspannt und eine Umfangsstützfläche bereitstellt,
an der der Umfang des Dichtungselements angebracht ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
besitzen das Gehäuse
und der Stützring
komplementäre Verriegelungsmerkmale
zum Ausrichten des Stützrings
am Gehäuse.
Außerdem
umfasst die Pumpe einen Ventilkopf, der an dem Stützring in
Gegenüberlage
zu dem Dichtungselement angebracht ist. Der Stützring und der Ventilkopf besitzen
ebenfalls komplementäre
Verriegelungsmerkmale zum Ausrichten des Ventilkopfs am Stützring.
Der Stützring
weist einen Behelfsabschnitt (Stop-Gap Section) für größere Abmessungen
relativ zum Rest des Stützrings
auf und er besitzt eine konvexe Bodenfläche, die mit der Krümmung des
Endes des Gehäuses übereinstimmt. Dies
ist derart bewerkstelligt, dass ein Kühlluftstrom durch das Gehäuse durch
den Durchlass nicht zu einfach freikommen kann. Das Gehäuse umfasst
außerdem
bevorzugt eine hochstehende Wand, die einen Teil bzw. Abschnitt
des Stützringumfangs
umgibt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt außerdem ein
Verfahren zum Zusammenbauen bzw. Montieren der vorstehend erläuterten
Membranpumpe bereit. Insbesondere wird die Pumpe zusammengebaut bzw.
montiert durch Abstützen
der Welle in dem Aufnahme-Kurbelgehäuse und
Einführen
des Kolbens axial relativ zu der Welle durch den offenen Durchlass
auf die Welle, so dass der Kolben im Wesentlichen im Kragen des
Gehäuses
zentriert wird. Der Stützring
ist auf dem Gehäuse über dem
Hals so angebracht, dass er den Durchlass überspannt. Das Dichtungselement
ist von unten um seinen Umfang durch den Stützring getragen bzw. abgestützt und zwischen
dem Stützring
und dem Ventilkopfaufbau eingefangen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Membranpumpe bereit, die in einfacher
und kosteneffektiver Weise exakt zusammengebaut werden kann. Bewirkt
wird dies durch Verwendung eines Gehäuses mit offenem Hals, der
es erlaubt, dass der Kolben durch das Kurbelgehäuse auf der Motorwelle in korrekter
Stellung gleitverschoben wird. Der Stützring füllt den Spalt des Durchlasses
und stellt eine umfangsmäßige Stützfläche für das Dichtungselement bereit.
Die bewerkstelligte exakte Kolbenpositionierung verhindert das Auftreten
der vorstehend angesprochenen Probleme bei dem (bisherigen) schwierigen
Zusammenbau.
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Die
vorstehend genannten sowie weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung
erschließen
sich aus der nachfolgenden Beschreibung und in dieser Beschreibung
wird auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil
von ihr bilden, und in denen beispielhaft eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung gezeigt ist. Diese Ausführungsform stellt nicht notwendigerweise
den vollen Umfang der Erfindung dar; vielmehr wird diesbezüglich auf die
Ansprüche
zum Auslegen des Umfangs der Erfindung Bezug genommen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Doppelzylinder-Luftkompressors
mit zwei identischen Gehäusen
mit offenem Kragen, jeweils eines an jedem Ende, und mit getrennten
Stützringen,
die den Spalt des offenen Kragens verschließen, wobei das Gehäuse ohne
Endkappen über
den Zugangsenden des Gehäuses
gezeigt ist;
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2 zeigt
eine Explosionsansicht von einem Ende der Pumpe von 1;
und
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3 zeigt
eine Querschnittsansicht entlang der Linie 3-3 von 1.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Membranpumpe bereit, die bevorzugt
dazu eingesetzt wird, eine Zwangsluftbewegung in Luftkompressoren
unterschiedlicher Größe und Fassungsvermögen bereitzustellen;
die vorliegende Erfindung kann jedoch auch für andere Pumpanwendungen und
-medien eingesetzt werden. Wie in 1 gezeigt,
umfasst ein Doppelzylinder-Luftkompressor 10 einen
Motor 12, wie etwa einen elektrischen Wechselstrommotor, zum
Antrieb eines Paars identischer Membranpumpeneinheiten 14.
Es wird bemerkt, dass der Luftkompressor ein Einzylinderkompressor
sein kann, in welchem Fall ein Wechselstrom- oder Gleichstrommotor verwendet
werden kann.
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Wie
in 1 und 2 gezeigt, umfasst jede Pumpeneinheit 14 ein
Gehäuse 16,
das einen Taumelkolben 18 enthält, der an einer Welle 20 angebracht
ist, die durch den Motor 12 in Drehung versetzt wird. Obwohl
der Kompressor 10 von 1 zwei Pumpeneinheiten 14 umfasst,
wird der Einfachheit halber lediglich eine der Pumpeneinheiten 14 näher erläutert.
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Wie
in 2 gezeigt, weist jedes Gehäuse 16 ein Motorende 24 und
ein offenes Zugangsende 26 auf, das durch eine (nicht gezeigte)
Endkappe abgedeckt ist, die an dem Gehäuse 16 angebracht
ist. Das Gehäuse 16 legt
ein allgemein zylindrisches Kurbelgehäuse 28 fest, das konzentrisch
zur Welle 20 verläuft
und von dem Motorende 24 durch eine Trennwand 23 getrennt
ist, die eine Öffnung
zur Aufnahme eines Lagers 25 aufweist, durch das die Welle 20 so
angeordnet ist, dass sie an dem Gehäuse 16 drehgelagert
ist (wie in 3 gezeigt). Der Motorrotor 27 ist
bevorzugt an der Welle 20 fest angebracht und die Statorhülle 13 ist
auf das Motorende 24 des Gehäuses 16 im Presssitz
angebracht.
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Das
Gehäuse 16 legt
außerdem
einen allgemein zylindrischen Kragen 30 fest, der sich
senkrecht zu dem Kurbelgehäuse 28 zwischen
den Enden 24 und 26 aufwärts erstreckt. Der Kragen 30 weist
einen axial offenen Schlund bzw. Durchlass 32 auf, der
mit dem Zugangsende 26 des Gehäuses 16 gemeinsam gebildet
ist. Der Kragen 30 weist eine hochstehende Wand 34 und
eine flache Rippe 36 über
dem größten Teil
seines Außenumfangs
unter Freilassung des offenen Durchlasses 32 auf. Die Rippe 36 stellt
eine ebene Oberfläche
zum Abstützen
bzw. Tragen eines Membrantragrings bzw. -stützrings 38 bereit,
der in die hochstehende Wand 34 passt.
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Der
Membranstützring 38 weist
einen Behelfsabschnitt 40 größerer Abmessung auf, der sich unten
erstreckt und so bemessen ist, dass er in den Durchlass 32 des
Halses 30 eng hineinpasst. Der Abschnitt 40 weist
eine konvexe Unterseite 42 mit im Wesentlichen demselben
Radius wie die Kammer 28 auf, so dass dann, wenn Membranstützring 38 an dem
Gehäuse 16 angebracht
ist, am Zugangsende 26 eine allgemein kreisförmige Öffnung bereitsteht, so
dass eine im Wesentlichen kreisförmige
Endkappe verwendet werden kann, um das Zugangsende 26 zu
verschließen.
Ein Gebläse
(nicht gezeigt) kann an dem Ende der Welle 20 benachbart
zum Zugangsende 26 angebracht sind, und Belüftungsschlitze
sind in der Endkappe gebildet, um Kühlluft in das Gehäuse 16 zu
saugen. Durch nahezu vollständiges
Verschließen
des Durchlasses 32 wird verhindert, dass eine übermäßige Kühlluftmenge
durch ihn hindurch freikommt.
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Der
Membranstützring 38 weist
ein Paar von Vorsprüngen 44 auf,
die auf jeder Seite des Ersatzabschnitts 40 nach unten
vorstehen, die in Eintiefungen 46 in dem Gehäuse 16 hineinpassen,
um den Membranstützring 38 mit
dem Kragen 30 auszurichten und ihn vor der Festlegung in
Position zu halten. Der Membranstützring 38 umfasst
außerdem
Bohrungen 48, die mit den Gewindeeintiefungen 50 in
dem Gehäuse 16 ausgerichtet
sind, um den Membranstützring 38 an
dem Gehäuse 16 über geeignete
Befestigungselemente 90 festzulegen, die sich durch die Platte 72,
einen Kopf 70 und den Ring 38 nach unten erstrecken
(wie in 3 gezeigt).
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Der
Membranstützring 38 weist
eine Oberseite auf, die eine kreisförmige Rippe 52 festlegt,
um ein ringförmiges
Elastomer-Membrandichtungselement 54 um seinen gesamten
Umfang abzustützen bzw.
zu tragen. Das Dichtungselement 54 ist an einer Verbindungsstange 58 des
Taumelkolbens 18 angebracht. Die Verbindungsstange 58 weist
einen Kreisflansch 60 auf, der in ein invertierte Eintiefung 62 passt,
die in dem Dichtungselement 54 gebildet ist. Eine Verstärkungsplatte 64 an
der Oberseite der invertierten Eintiefung 62 ist an der
Verbindungsstange 58 über
ein geeignetes Befestigungselement 92 befestigt, das durch
ihr Zentrum verlaufend angeordnet ist, das in einen zentralen Vorsprung 56 der
Verbindungsstange 58 geschraubt ist, wodurch das Dichtungselement 54 an
der Verbindungsstange 58 festgelegt ist. Die Verbindungsstange 58 weist
ein einsatzgeformtes Lager 65 in Gegenüberlage zu dem Flansch 60 auf,
um ein Exzenterelement 66 aufzunehmen, das auf der Welle 20 durch
ein geeignetes Mittel, wie etwa eine Stellschraubenverbindung angebracht
ist. Das Exzenterelement 66 weist eine Axialbohrung 79 auf,
die exzentrisch zu seinem Außendurchmesser
verläuft,
so dass der Kolben 18 innerhalb des Kragens 30 hin-
und herläuft
und taumelt, wenn sich die Welle 20 dreht. Das Exzenterelement 66 weist
außerdem
eine radial vorspringende Spitze (Nippel) 67 auf (siehe 3),
die so bemessen ist, dass er das Wellenlager 23 derart
kontaktiert, dass der Kolben 18 korrekt positioniert wird.
Diese Spitze 67 weist eine kleine Kontaktfläche auf,
die auf der Innenlauf bahn des Wellenlagers 25 reitet, um
einen Zwangsanschlag zum Positionieren des Kolbens 18 bereitzustellen.
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Der
Außenumfang
des Dichtungselements 54 ist zwischen der Membranstützringrippe 52 und
einem Ventilkopfaufbau 68 sandwichartig angeordnet. Der
Ventilkopfaufbau 68 umfasst einen Ventilkopf 70 mit
(nicht gezeigten) Einlass- und Auslassklappenventilen, die sich
in Reaktion auf Luftdruck bewegen, wie an sich bekannt, und die
in Verbindung mit Einlass- und Auslasskammern 80 und 82 in
dem Ventilkopf 70 stehen. Die Einlass- und Auslasskammern 80 und 82 befinden
sich jeweils in Fluidverbindung mit drei Einlass- und Auslassöffnungen 84 und 86,
die Anschlüsse
zum Anbringen von Luftleitungen (nicht gezeigt) aufweisen. Die Ventilkammern 80 und 82 des
Ventilkopfes 70 sind durch eine Kopfplatte 72 abgedeckt,
die an dem Ventilkopf 70 durch die Gewindebefestigungselemente 90 festgelegt
ist, die sich durch Bohrungen 75, Ventilkopfbohrungen 74 und Membranstützringbohrungen 48 erstrecken
und in die Gewindeeintiefungen 50 des Gehäuses 16 geschraubt
sind. Bevorzugt ist ein geeigneter Dichtring bzw. eine Dichtung 94 zwischen
dem Ventilkopf 70 und der Kopfplatte 72 angeordnet,
um Luftleckage zu verhindern.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind das Gehäuse 16 und
der Membranstützring 38 bevorzugt
aus einer Aluminiumlegierung bzw. glasgefülltem Nylon hergestellt. Die
Kolbenverbindungsstange 58 und die Rückseitenplatte 64 sind
bevorzugt aus einer Aluminiumlegierung oder aus Polyphthalamid hergestellt.
Das Dichtungselement 54 ist bevorzugt ein verstärktes EPDM.
Das Exzenterelement 66 ist ein bzw. besteht aus Pulvermetall
und der Ventilkopf 70 und die Kopfplatte 72 bestehen
aus Aluminium.
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Wenn
der Motor 12 betätigt
wird, dreht sich die Welle 20 und das Exzenterelement 66 veranlasst den
Kolben 18, mit einer Taumelbewegung vor und zurück zu laufen.
Das Dichtungselement 54 und die hin- und herlaufende Verbindungsstange 58 des
Kolbens 18 saugen Luft durch das Einlassventil in die Kompressionskammer 30 beim
Abwärtshub
ein und verdrängen
Luft aus dem Auslassventil zu dem Ventilkopfaufbau 68 beim
Aufwärtshub.
Die Ventile des Ventilkopfs 70 öffnen und schließen abwechselnd
in Reaktion auf den hin- und herlaufenden Kolben 18, damit
Außenluft
durch die Einlassöffnungen 84 gesaugt
werden kann und damit verdichtete Luft durch die Auslassöffnungen 86 ausgetragen
werden kann, wie an sich bekannt.
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Unter
erneutem Bezug auf 2 und 3 wird jede
Pumpe 14 zusammengebaut bzw. montiert durch Lagern der
Welle 20 am Gehäuse 16 und
Presspassen der Hülle
auf das Motorende 24 der Pumpe. Daraufhin wird der Kolben 18 montiert
durch Festlegen der Verstärkungsplatte 64 und
des Dichtungselements 54 an der Verbindungsstange 58.
Die Verbindungsstange 58 des montierten Kolbens wird daraufhin
in die Öffnung
des Membranstützrings 38 eingeführt. Die
Verbindungsstange 58 wird daraufhin durch den offenen Durchlass 32 in
das Kurbelgehäuse 28 auf
die Welle 20 gleitverschoben durch Einführen der Welle 20 durch
das Lager 65. Das Exzenterelement 66 wird daraufhin
auf die Welle 20 gepresst und in das Verbindungsstangenlager 65 im
leichten Presssitz angebracht. Das Exzenterelement 66 wird
auf die Welle 20 geschoben, bis der Nippel bzw. die Spitze 67 das
Wellenlager 23 kontaktiert und nicht weiter gleiten kann.
In dieser Position ist der Kolben 18 in der Kompressionskammer 30 korrekt
zentriert. Die Verbindungsstange 58 ist durch Festlegen
des Exzenterelements 66 an der Welle 20 festgelegt.
Der Membranstützring 38 wird
daraufhin an dem Gehäuse 16 über dem
Kragen 30 derart angebracht, dass der offene Schlund bzw. Durchlass 32 verschlossen wird,
wobei die Vorsprünge 44 mit
den Gehäuseeintiefungen 46 ausgerichtet
werden, so dass das Dichtungselement 54 um seinen gesamten
Umfang durch den Membranstützring 38 getragen
ist. Der Umfang des Dichtungselements 54 wird daraufhin
zwischen dem Membranstützring 38 und
dem Ventilkopfaufbau 68 sandwichartig angeordnet, der an
dem Gehäuse 16 durch
die Gewindebefestigungselemente 90 festgelegt ist. Das
Zugangsende 26 wird durch eine (nicht gezeigte) Endkappe
abgedeckt, die am Gehäuse 16 festgelegt
ist.
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Die
vorliegende Erfindung erleichtert den Zusammenbau von Membranpumpen,
die ein problemloses und exaktes Positionieren erfordern. Hierdurch werden
die beim Zusammenbau bzw. der Montage angetroffenen Probleme verringert
oder beseitigt.
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Eine
illustrative Ausführungsform
der Erfindung ist im Einzelnen erläutert worden, um eine in die Praxis
umsetzbare betriebsmäßige Struktur
zu offenbaren, durch die die Erfindung vorteilhafterweise in die
Praxis umgesetzt werden kann. Die neuartigen Merkmale der Erfindung
können
jedoch in anderen strukturellen Formen enthalten sein, ohne vom
Umfang der Erfindung abzuweichen. Um die Öffentlichkeit mit dem vollen
Umfang der vorliegenden Erfindung vertraut zu machen, wird deshalb
auf die nachfolgenden Ansprüche
Bezug genommen.