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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erhitzung
und Steuerung der Verfahrenstemperatur in einem Pasteurisierungstunnel,
insbesondere für
verpackte Lebensmittelprodukte.
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Wie
bekannt ist, erfolgt die Pasteurisierung von verpackten Lebensmittelprodukten
durch Hitzebehandlung, welcher einige Typen von bereits in den endgültigen Behältern verpackte
Produkte unterzogen werden, um deren Konservierung über längere Zeit
zu verbessern.
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Die
Art der Pasteurisierung, auf die sich hier nachstehend bezogen wird,
ist die „Niedrigtemperatur-Pasteurisierung", und zwar spezifisch
bezogen auf Lebensmittelprodukte, die aus Getränken bestehen. Dies bedeutet,
dass sie bei einer Temperatur von weniger als 90°C mit Hilfe von heissem Wasser erfolgt,
welches in einer programmierten Weise auf die Behälter gesprüht wird,
um deren Temperatur nach einem vorgegebenen Wärmezyklus zu verändern.
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Die
Einrichtung, mit welcher das Pasteurisierungsverfahren durchgeführt wird,
besteht im wesentlichen aus einem Tunnel, durch welchen das bereits
in Behältern
verpackte Pro dukt behandelt wird (Flaschen, Dosen oder andere Behälter), das
in dem Tunnel mit Hilfe eines Förderers
vorläuft.
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Vom
Gesichtspunkt der Erhitzung her gesehen, ist der Tunnel im wesentlichen
in drei Bereiche unterteilt: ein erster Bereich (Bereich 1)
zum Vorheizen, in welchem die Temperatur des Produktes auf einen
Wert erhöht
wird, über
welchen hinaus die eigentliche Hitzebehandlung erfolgt; ein zweiter
Bereich (Bereich 2) zur Hitzebehandlung; ein dritter Bereich
(Bereich 3) zum Abkühlen,
in welchem das Produkt ungefähr
auf Raumtemperatur zurück
gebracht wird, um unerwünschte
Fermentationserscheinungen zu vermeiden.
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Jeder
dieser drei Bereiche ist ausserdem in zwei oder mehr Abschnitte
(Unterbereiche) unterteilt, um: (a) Thermoschocks zu vermeiden und
die Gelegenheit der Wiedergewinnung von Wärme zwischen den Heiz- und
Kühlbereichen
zu haben, oder (b) Bereiche mit unterschiedlichen Temperaturen zur
Verfügung
zu haben, veränderbar
nach bestimmten Kriterien, und zwar in dem Abschnitt des Tunnels,
in dem die augenblickliche Hitzebehandlung erfolgt.
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In Übereinstimmung
mit dem Stand der Technik erfolgt das Erhitzen des Wassers, das
auf das Produkt gesprüht
wird (Behandlungswasser) mit Hilfe einer Anzahl von Wärmeaustauschern,
von welchen jeder einem Unterbereich der Bereiche
1,
2,
3 zugeordnet
ist, in welche der Tunnel unterteilt ist.
3 zeigt
einen Pasteurisiertunnel, hergestellt nach der betreffenden bekannten
Technik (s. auch Patent
EP 960
574 ).
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Jeder
der genannten Austauscher ist aus einem einzelnen Primärkreis gebildet,
dessen Fluid, abhängig
von den Anforderungen, gesättigter
Dampf, überhitztes
Wasser, heisses Wasser usw. sein kann, und aus einem einzigen Sekundärkreis,
in welchem das Behandlungswasser zirkuliert. Ebenfalls ist ein Dosierventil
für den
Primärkreis
und ein Kondensatablass vorhanden, wenn das primäre Fluid Dampf ist.
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Das
Behandlungswasser zirkuliert in jedem Unterbereich durch einen Hydraulikkreis,
welcher den unter dem besprühten
Produkt angeordneten Sammelbehälter
mit den über
dem Produkt angeordneten Sprühdüsen verbindet.
Der Sekundärkreis
eines jeden Wärmeaustauschers
ist mit dem Hydraulikkreis eines jeden, oben beschriebenen Unterbereiches
verbunden. Jedem Unterbereich des Pasteurisierers, dessen Behandlungswasser
eine entsprechende Erhitzung erfordert, muss daher ein spezifischer
Wärmeaustauscher
zugeordnet sein.
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Obwohl
diese konstruktive Lösung
den Betriebsanforderungen des Systems sehr gut entspricht, hat sie
trotzdem einige Nachteile.
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Diese
sind im wesentlichen:
- – die verhältnismässige Komplexität des Systems zum
Steuern und Regulieren der Temperaturen und der Hy draulikkreise;
- – die
Notwendigkeit der Wartung einer grossen Zahl von Wärmeaustauschern
und der gleichen Zahl von Hochdruck-Dosierventilen;
- – die
Trägheit
der Regulier- und Steuerorgane, welche kontinuierlichen Veränderungen
der Anordnung unterliegen;
- – die
mangelhafte Leistung der Wärmeaustauscher,
die oft nur in einem vorübergehenden
Zustand arbeiten müssen.
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Um
diese Reihe von Nachteilen zu lösen,
haben einige Hersteller ein zentralisiertes Heizsystem angewandt,
welches die Verwendung eines einzigen Wärmeaustauschers für alle der
Temperatursteuerung unterliegenden Bereiche vorsieht. Dieser Austauscher
nimmt das Erhitzen einer in einem Behälter vorhandenen Menge von
Wasser vor, welches auf einer ausreichend hohen Temperatur gehalten
wird, und das mit dem Behandlungswasser der verschiedenen Bereiche
gemischt wird, um dessen Temperatur zu erhöhen, abhängig von der jeweiligen Notwendigkeit.
Somit wird Wärmeenergie
mit Hilfe von Mengen von heissem Wasser verteilt, welches in die
Bereiche geführt
wird, in denen eine Temperaturerhöhung erforderlich ist.
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2 zeigt
schematisch einen Pasteurisiertunnel, erhalten nach diesem zweiten
Typ der bekannten Technik (s. zum Beispiel Patent WO 95/22352).
Diese technische Lösung,
obwohl sie unbestreitbare Vorteile gegenüber der be kannten Technik bietet,
weist noch einige Nachteile auf.
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Insbesondere:
- – grosse
Mengen an Wasser im Inneren des Pasteurisierers, welche erhitzt
werden müssen,
bevor der Förderer
anläuft
(Wassermassen in den Behandlungswannen und in dem gemeinsamen Behälter), mit
offensichtlich hohem Energieverbrauch;
- – unvermeidbarer
Verlust, beim Abschalten des Pasteurisierers, der verbrauchten Energie
zum Vorerhitzen der in dem gemeinsamen Behälter enthaltenen Wassermasse;
- – Notwendigkeit
einer hohen Fliessgeschwindigkeit des Wassers zwischen dem gemeinsamen Behälter und
den verschiedenen Behandlungswannen, wenn die Temperatur des Wassers
in dem gemeinsamen Behälter
sinkt (die transferierte Leistung ist gleich dem Produkt zwischen
Wasservolumen und Temperatur);
- – das
Vorhandensein eines einzigen Wärmeaustauschers,
welcher während
der kritischen Verfahrenssteuerphasen für ausreichende Wärmeenergie
sorgen muss, sei es für
das schnelle Aufheizen der Bereiche des Pasteurisierers wie auch
zur Wiederherstellung der Temperatur der in dem gemeinsamen Behälter vorhandenen
Wassermasse; und dies mit der Wahrscheinlichkeit, dass es nicht
möglich
sein könnte,
das Pasteurisierverfahren korrekt und/oder vollständig durchzuführen, mit
dem daraus sich ergebenden Schaden an dem Produkt;
- – das
Vorhandensein in dem Pasteurisierer einer grossen Menge von Wasser
mit hoher Temperatur, konzentriert in einem einzigen Bereich (dem gemeinsamen
Behälter)
kann das thermische Gleichgewicht der Bereiche stören, die
der Temperatursteuerung unterliegen, und zwar zurückzuführen auf
den Wärmeaustausch
mit dem umliegenden Bereich;
- – das
konstante Mischen der Wassermassen von unterschiedlichen Temperaturen
in den verschiedenen Bereichen des Pasteurisierers erfordert eine
ständige
Wiederherstellung der Betriebstemperaturen, wieder mit einem grossen
Energieverbrauch.
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Eine
andere Art von Pasteurisierer ist bekannt aus
FR 2 520 984 . Dieses Patent beschreibt eine
Einrichtung, in welcher das Erhitzen des Wassers in den Heizbereichen
mit Hilfe von einer oder mehreren Wärmepumpen erreicht wird, welche
einen Teil der Wärme
aus dem Wasser des Kühlbereiches erhalten.
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Ausserdem
beschreiben
DE 3210341 und
DE 3211159 eine Pasteurisiereinrichtung,
in welcher Flüssigkeiten
in einem Warmlauf-Wärmeaustauscher erwärmt, in
einem Erhitzungs-Wärmeaustauscher
erhitzt und dann in Behälter
gefüllt
werden, und zwar mit Hilfe einer Füllvorrichtung, die nicht zu
der Pasteurisiereinrichtung gehört.
Die Behälter
laufen dann durch einen zu der Pasteurisiereinrichtung gehörenden Kühltunnel,
ausgestattet mit wenigstens zwei Bereichen zum Besprühen mit
Wasser, und werden somit gekühlt.
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US 4 704 958 beschreibt
noch einen Pasteurisiertunnel, der mit einer Anzahl von beweglichen Trennwänden versehen
ist, welche einen leichten Wechsel der Konfiguration des Tunnels
erlauben, indem die Länge
eines jeden Bereiches zur Hitzebehandlung verändert wird.
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Weiter
beschreibt
EP 204 138 eine
Sicherheitsvorrichtung zum Schützen
der Produkte vor einer zu langen Zeit bei hohen Temperaturen im
Falle eines Anhaltens des Förderbandes
des Pasteurisierers.
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Schliesslich
beschreiben die Patente
EP 867 678 ,
US 5 755 280 ,
EP 205 205 und
GB 1 270 568 Wärmeaustauscher mit einem Primärkreis und
mehrfachen Sekundärkreisen.
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Der
wesentliche Zweck der vorliegenden Erfindung ist daher, die vorgenannten
Nachteile zu überwinden,
die sich auf die heutigen Systeme zur Erhitzung und Steuerung der
Verfahrenstemperaturen in Pasteurisiertunneln beziehen, indem eine
Einrichtung zur Verfügung
gestellt wird, die erlaubt:
- – die Zahl
der verwendeten Wärmeaustauscher und
die Reguliervorrichtungen des Fluids in deren Primärkreisen
erheblich zu begrenzen;
- – die
Häufigkeit
der Veränderungen
in der Leistungsabgabe durch die Wärmeaustauscher zu begrenzen;
- – die
Behandlungswasser stets von einem Bereich zum anderen des Pasteurisierers
getrennt zu halten;
- – die
Verwendung eines gemeinsamen Behälters zu
vermeiden, der grosse Mengen von Wasser bei hoher Temperatur enthält;
- – die
Struktur des Hydrauliksystems des Pasteurisierers zu vereinfachen.
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Diese
Zwecke und noch andere werden alle erreicht durch die betreffende
Einrichtung zur Erhitzung und Steuerung der Verfahrenstemperatur,
deren Haupteigenschaften in den nachstehenden Patentansprüchen festgelegt
sind.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen deutlicher
aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung einer Ausführung der
betreffenden Einrichtung hervor, die rein als ein nicht begrenzendes
Beispiel in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist.
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1 zeigt
ein erstes Beispiel des wie vorstehend beschriebenen Standes der
Technik;
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2 zeigt
ein zweites Beispiel des ebenfalls wie vorstehend beschriebenen
Standes der Technik;
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3 zeigt
schematisch die Hydraulikkreise und die Elemente zur Erhitzung und
Steuerung der Verfahrenstemperaturen, die sich auf die Einrichtung
nach der vorliegenden Erfindung beziehen.
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Unter
Bezugnahme auf die 3 ist der Pasteurisier tunnel,
welcher mit einem Förderer
(nicht gezeigt) für
den Vorlauf der Produkte in der durch den Pfeil in 3 gezeigten
Richtung ausgestattet ist, in drei Bereiche unterteilt, das heisst:
ein erster Vorheizbereich 1, welcher (in dem gezeigten
Beispiel) in vier thermisch unabhängige elementare Unterbereiche 11, 12, 13, 14 unterteilt
ist; ein zweiter Bereich 2 zur Pasteurisierung durch Hitzebehandlung,
welcher (wieder unter Bezugnahme auf das gezeigte Beispiel) in drei
thermisch unabhängige
Unterbereiche 21, 22, 23 unterteilt ist,
ein dritter Kühlbereich 3,
welcher (ebenfalls auf das gezeigte Beispiel bezugnehmend) in vier
elementare Unterbereiche 31, 32, 33, 34 unterteilt
ist.
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Eine
entsprechende Vorrichtung zum Messen und zur Datenverarbeitung ist
in der Lage, die Temperatur des Behandlungswassers zu messen und
aufzuzeichnen und durch eine mathematische Berechnung die Temperatur
des Produktes in jedem der elementaren Abschnitte (Unterbereiche)
zu bestimmen. Die genannte Vorrichtung ist in den beiliegenden Zeichnungen
nicht gezeigt, weil sie an und für
sich bekannt ist (sie besteht aus Sonden, die an einen Computer
angeschlossen sind). Es ist auch nicht ihre genaue Positionierung
gezeigt (welche auf jeden Fall in den betreffenden Bereichen oder
Unterbereichen sein muss), da sie von den verschiedenen funktionellen
und betrieblichen Anforderungen abhängt. Die gemessenen und aufgezeichneten
Temperaturwerte wer den ständig
mit Sollwerten verglichen (zum Beispiel vorbestimmte Werte), festgelegt für einen
typischen Punkt eines jeden der elementaren Unterbereiche der Bereiche
1,
2 und
3,
in welche der Tunnel unterteilt ist und auf jeden Fall in dem Patent
EP 960 574 beschrieben.
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Nochmals
unter Bezugnahme auf die 3 wird nun die Einrichtung zur
Erhitzung und Steuerung der Verfahrenstemperatur beschrieben.
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Jeder
elementare Unterbereich des Vorheizbereiches 1 und des
Bereiches 2 zur Pasteurisierung durch Hitzebehandlung enthält einen
Hydraulikkreis 3, welcher es erlaubt, die auf dem Förderer durchlaufenden
verpackten Produkte mit Behandlungswasser mit einer vorgegebenen
Temperatur zu besprühen.
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Unter
Bezugnahme auf den Bereich zur Pasteurisierung 2, enthält jeder
Hydraulikkreis 3 wiederum eine Sprühvorrichtung 4, einen
darunter liegenden Sammelbehälter 5 und
ein den Behälter 5 mit
der Sprühvorrichtung 4 verbindendes
Rohr 6.
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Es
muss bemerkt werden, dass, betreffend den Vorheizbereich 1,
das den Behälter 5 mit
der Sprühvorrichtung 4 verbindende
Rohr 6 sich bis zu dem Kühlbereich 3 erstreckt.
Ausgehend von dem Behälter 5,
zum Beispiel des Unterbereiches 14, speist das Rohr 6 die
obere Sprühvorrichtung
des Unterbereiches 31, und folglich läuft das aus dem Behälter dieses
Unterbereiches 31 abgelassene Wasser wieder zu der Sprühvorrichtung 4 des
Unterbereiches 14 zurück.
Wegen der Einfachheit der Beschreibung wurde das gesamte, die Unterbereiche 14 und 31 verbindende
Rohr mit derselben Bezugsnummer 6 bezeichnet wie die anderen ähnlichen
Rohre.
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Natürlich gilt
dies auch für
die anderen Unterbereiche 11, 12, 13 und 32, 33, 34.
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Nach
der in 3 gezeigten Ausführung enthält die Einrichtung nach der
vorliegenden Erfindung zwei Wärmeaustauscher 7,
zugeordnet jeweils dem ersten Vorheizbereich 1 und dem
zweiten Bereich zur Pasteurisierung 2 durch Hitzebehandlung.
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Jeder
Wärmeaustauscher 7 enthält einen Primärkreis 8 (welchem
ein Dosierventil 15 und ein Kondensatablass 16 zugeordnet
ist) und eine Anzahl von Sekundärkreisen 9 (so
viele wie elementare Unterbereiche, in welchen das erhitzte Behandlungswasser
vorhanden ist – was
nicht für
den Unterbereich 11 der Fall ist). Jeder der Sekundärkreise
ist an den Hydraulikkreis 3 eines jeden elementaren Unterbereiches
angeschlossen.
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Genauer
gesagt wird jeder Kreis 9 im unteren Teil des Kreises 3 mit
Behandlungswasser gespeist, das aus dem Behälter 5 kommt, und
mündet im
oberen Teil stromaufwärts
der Sprühvorrichtung 4.
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Jeder
Sekundärkreis 9 ist
ebenfalls mit Mitteln zur Steuerung der Wassertemperatur der betreffenden
Sprühvorrichtung 4 versehen,
welche aus einem servo-gesteuerten modulierenden Niederdruckventil 10 bestehen,
positioniert an dem Kreis 9 stromaufwärts der Sprühvorrichtung 4.
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Das
Einspritzen, oder Fehlen desselben, von Behandlungswasser (bei einer
Temperatur, die sich durch den Wärmeaustausch
in dem Wärmeaustauscher 7 ergibt)
aus dem Kreis 9 in den Hydraulikkreis 3 bestimmt
die Temperaturänderung
des durch die Sprühvorrichtung 4 versprühten Wassers.
Diese Veränderung
ist eine Funktion der Wassertemperatur in dem Kreis 9 stromabwärts des
Wärmeaustauschers 7 und
der Fliessgeschwindigkeit des stromabwärts des Ventils 10 eingespritzten
Wassers. Es ist zu bemerken, dass es die Verwendung von Wärmeaustauschern 7 mit
mehrfachen Sekundärkreisen 9 erlaubt, das
System zur Regulierung des Primärkreises 8 gleichbleibend
aktiv zu halten; und dies dank der Möglichkeit der Energieabfrage
durch wenigstens einen der Sekundärkreise 9.
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Diese
Tatsache erlaubt:
- – die Trägheit der Regulierorgane zu
reduzieren, welchen aus einem Ruhezustand plötzlich die Abgabe maximaler
Leistung abverlangt werden kann, da es wahrscheinlich ist, dass
wenigstens einer der elementaren Unterbereiche, die von demselben
Wärmeaustauscher 7 beliefert
werden, eine Energiezufuhr zu unterschiedlichen Zeiten oder zur
gleichen Zeit fordert;
- – eine
gute Leistung des Wärmeaustauschers 7 und
des modulierenden Ventils 10 zu erhalten, weil deren Arbeitsbereich
innerhalb begrenzter Werte variiert.
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Ebenfalls
ist zu bemerken, dass, wenn in dem Primärkreis 8 des Wärmeaustauschers 7 das Fluid
aus trockenem gesättigten
Dampf besteht, die aus dem Dosierventil 15 und dem Kondensatablass 16 gebildete
Gruppe selbstregulierend wird. In diesem Falle würden das Ventil 15,
der Wärmeaustauscher 7 und
der Kondensatablass 16 jeweils zu einem Druckregler 15 (Druck
des trockenen gesättigten
Dampfes), einem Kondensator 7 und einem Kondensatablass 16 werden.
Dies bedeutet, dass, solange in den Sekundärkreisen 9 Wasser
zirkuliert, das den in dem Primärkreis 8 vorhandenen
Dampf kühlt und
diesen kondensiert, der Kondensatablass 16 sich öffnet, um
das Kondensat in einer Menge proportional zu der ausgetauschten
Wärme abzulassen, und
der Druckregler (Ventil 15) sich öffnet, um den Druckwert, auf
den er eingestellt ist, wiederherzustellen. Wenn der Dampf in dem
Kreis 8 nicht länger durch
ein sekundäres
Fluid gekühlt
wird, bildet sich kein Kondensat mehr, der Kondensatablass 16 schliesst
sich, der Druck stromabwärts
des Druckregelventils 15 erhöht sich und das Ventil selbst
sperrt dem Dampfstrom ab.
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Da
das Bilden und Ableiten des Kondensats proportional zu der Hitze
erfolgt, die dem Wasser entnommen ist, welches in den Sekundärkreisen
zirkulieren kann, ist die Druckveränderung des Dampfes in dem
Kondensator (Wärmeaustauscher 7)
proportional zu der Menge des abgelassenen Kondensats, und das Öffnen des
Druckregelventils 15 erfolgt proportional zu dem Druck
stromabwärts
desselben, weshalb der Dampfstrom in dem Primärkreis 8 folglich
automatisch in Funktion der entnommenen Hitze reguliert wird.
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Natürlich kann
die vorliegende Erfindung in ihrer praktischen Ausführung andere
Konfigurationen haben als die oben dargestellte, ohne dabei aus
dem Schutzbereich des vorliegenden Patentes heraus zu gehen.