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Die Erfindung betrifft ein Anschlußstück für die
Stromversorgung einer Last, wie einen Motor und ähnl.
für den Antrieb einer Tauchpumpe, die in einem Tank
gespeicherte Flüssigkeit niedriger Temperatur als
flüssiges Naturgas (LNG = liquefied natural gas)
hochpumpt.
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In der Praxis wird eine solche Tauchpumpe innerhalb
eines Gehäuses nahe einem Ende des Gehäuses angeordnet,
das senkrecht innerhalb des Tanks befestigt ist. Das
Anschlußstück der Stromversorgung für den Antriebsmotor
der Pumpe ist luftdicht an einer Schottwandung
befestigt unter Verwendung eines Flansches in dem
Bereich, in dem das Pumpengehäuse aus dem Tank nach
außen in die Atmosphäre geführt ist. Ein derartiges
Anschlußstück ist folgenden Beanspruchungen ausgesetzt
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a) Das Anschlußstück steht unter einer etwa der
Umgebungstemperatur entsprechenden Temperatur, wenn
die Pumpe außer Betrieb ist.
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b) Beim Einschalten der Stromversorgung zum Betrieb der
Pumpe erhitzt sich der stromführende und durch das
Gehäuse hindurchgeführte Leiter in einer
Anfangsphase auf etwa 80 bis 90 ºC. und kühlt sich
danach beim Hochpumpen der Flüssigkeit niedriger
Temperatur unter dem Einfluß der Niedrigtemperatur
der Flüssigkeit oder des Gases im Tank rasch ab.
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Da der Leiter der Stromversorgung den zyklischen
Temperatureinflüssen besonders ausgesetzt ist, führt
dies zu wiederholter linearer Ausdehnung und
Kontraktion, was wiederum die Luftdichtigkeit an der
Durchführungstelle des Leiters aufgrund der wechselnden
Beanspruchungen führen kann. Bei einer in Figur 5 der
Zeichnungen dargestellten bekannten Ausführung
durchsetzt eine Keramikhülse 4 eine Montageöffnung 2 in
einem Flansch 1, der an der Schottwandung (d) des
Gehäuses befestigt ist. Die Keramikhülse wird von einem
Leiter 5 durchsetzt, die mit dem Leiter 5 über ein
Silberlot 7 luftdicht verbundene Keramikhülse ist
innerhalb des Flansches 1 (d.h. innerhalb des Gehäuses)
mit einer Metallplatte 6 verbunden. Um eine zu große
Beanspruchung der Keramikhülse 4 und des Silberlots 7
wegen ihrer geringen Zugfestigkeit zu vermeiden, sind
die Außenseite des Flansches 1 und die Innenseite der
Keramikhülse 4 frei und die lineare Ausdehnung und
Kontraktion des Leiters wird an die Außenseite des
Flansches 1 geleitet.
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Bei einer luftdichten Verbindung der Keramikhülse 4 mit
dem Leiter 5, wenn wie hier nur ein Teil innerhalb des
Flansches 1 liegt, ist ein Austreten der
Niedrigtemperaturflüssigkeit oder des Gases aus dem
Gehäuse nicht ausgeschlossen, was eine Gefährdung
bedeutet, wenn der abgedichtete Bereich beschädigt und
die Luftdichtigkeit beeinträchtigt wird.
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Durch die Erfindung sollen erstens die bei den bisher
bekannten Ausführungen bestehenden Mängel ausgeglichen
werden. Nach einer Aufgabe der Erfindung soll an zwei
Stellen innerhalb und außerhalb des Flansches eine
hermetische Abdichtung zwischen der Keramikhülse und
dem Leiter geschaffen werden und die äußere Abdeckung
jedes Leck verhindert, selbst wenn keine ausreichende
Dichtigkeit im innenliegenden, abgedichteten Teil mehr
besteht.
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Ferner soll nach einer zweiten Aufgabe durch geeignete
Maßnahmen die Zugbeanspruchung der Keramikhülse
verhindert werden, da diese keine sehr große
Zugfestigkeit besitzt. Kurzum, bei luftdichtem Anschluß
der Keramikhülse an dem Leiter an zwei Stellen
innerhalb und außerhalb des Flansches, wie zuvor
beschrieben, besteht ein unterschiedliches thermisches
Verformungsverhalten zwischen der Keramikhülse mit
geringer Wärmedehnung und Kontraktion gegenüber dem
Verformungsverhalten des Leiters mit sehr großen
Änderungen. Die Beanspruchung tritt hauptsächlich an
der Verbindungsstelle und den abgedichteten Teilen
beider Komponenten auf, so daß die Ermüdung des Metalls
an diesen Stellen zunimmt und die Keramikhülse auf Zug
beansprucht wird.
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Schließlich soll drittens auch eine Miniaturisierung
der Einheit erreicht und dadurch einem Funktionsausfall
durch Eisbildung vorgebeugt werden.
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Ausgehend von einem Anschlußstück für die
Stromversorgung einer innerhalb eines Gehäuses
befindlichen Last, umfassend einen an einem Schott des
Gehäuses angeordneten Flansch, eine durch eine Öffnung
in dem Flansch geführte und luftdicht an dem Flansch
angeordnete Keramikhülse, wobei ein erstes Ende der
Hülse außerhalb dem Gehäuses und ein zweites Ende der
Hülse innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, und einen
in die Keramikhülse eingesetzten Leiter für die
Stromversorgung, wobei die Keramikhülse und der Leiter
luftdicht innerhalb des Gehäuses am zweiten Ende der
Hülse miteinander verbunden sind, ist diese Aufgabe
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem ersten
Ende der Hülse und Leiter vermittels eines rohrförmigen
Balges aus elastischem Material, der den Leiter und das
erste Ende der Hülse umschließt, ein luftdichter
Anschluß gewährleistet ist, wobei der Balg aufgrund
seiner eigenen Elastizität sich innerhalb einer derart
gewählten Spanne ausdehnen und zusammendrücken kann,
daß die unterschiedliche lineare Dehnung zwischen der
Keramikhülse einerseits und dem Leiter andererseits
innerhalb des während des Betriebes zu erwartenden
Temperaturbereichs vollständig aufnehmbar ist und wobei
bei der Montage des Balges die Keramikhülse und der
Leiter durch Erhitzen auf die zu erwartende höchste
Betriebstemperatur bzw. auf eine noch höhere Temperatur
linear gedehnt werden und wobei der Balg in maximal
gedehntem Zustand oder im Bereich maximaler Dehnung mit
der Keramikhülse und dem Leiter verbunden ist.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung umschließt
der Balg den Leiter und das erste Ende der Hülse
vermittels zweier den Leiter und das erste Ende der
Hülse umgebende Endstücke aus Metall.
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Gemäß der Erfindung umgibt eine Metallplatte das zweite
Ende der Hülse und ist mit der Hülse und dem Leiter
durch Silberlot verlötet und sind die beiden Metall-
Endstücke sind mit der Hülse und dem Leiter ebenfalls
durch Silberlot verlötet.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Das Anschlußstück für die Stromversorgung ist dort
einsetzbar, wo ein Ende des Leiters mit der Stromquelle
über ein Kabel verbunden ist und das andere Ende mit
einer Last beispielsweise einem Motor und dgl. für den
Antrieb einer Tauchpumpe, die im Bereich des Bodens
innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist.
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Für das Anbringen des Balges (Montageverfahren) gelten
die nachstehenden Bedingungen.
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Der Balg ist so auszuwählen, daß dieser durch seine
Eigenelastizität durch Zusammendrücken und Dehnung
verursachte Verformungen aufnehmen kann, die durch das
unterschiedliche Verformungsverhalten von Keramikhülse
und Leiter innerhalb eines in der Praxis auftretenden
Temperaturbereichs entstehen.
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Bei der Montage des Balges zwischen der Keramikhülse
und dem Leiter sind die beiden letzteren auf eine
vorgegebene Höchsttemperatur oder eine etwas höhere
Temperatur zu erwärmen, damit diese sich linear
ausdehnen können und der Balg ist dann so aufzubringen,
daß die angestrebte maximale Kontraktion oder Dehnung
erfolgen kann.
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Das bedeutet, daß das linearelastische Verhalten des
Balges den gleichen Wert haben sollte wie das des
Leiters bei der in der Praxis auftretenden
Höchsttemperatur oder einem etwas höheren Wert. Bei
Raumtemperatur ist der Balg somit bei
zusammengedrücktem Leiter vorgespannt. Erwärmt sich der
Leiter und dehnt er sich linear bis zur Grenze oder der
vorgebenen Maximaltemperatur an der Stromaufnahmeseite
aus, so verformt sich der Balg aufgrund seiner
Eigenelastizität ebenso (wird gedehnt) im Maße der
ansteigenden linearen Dehnung, so daß diese
Verschiebung nicht nur die Reaktionskraft der linearen
Dehnung des Leiters vermindert und die Reaktionskraft
an der Keramikhülse nicht wirksam werden läßt, sondern
auch aufgrund der Eigenelastizität des Balges und
dessen durch die lineare Ausdehnung des Leiters
erzeugte Vorspannung auf die Keramikhülse einen Druck
ausübt.
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Mit Beginn des Pumpvorganges für die
Niedrigtemperaturflüssigkeit und der Abkühlung des Leiters und dessen
Kontraktion folgt der Balg dieser Verformung. Bei diesem
Vorgang wirkt die Kompression selbstverständlich über
den Balg auf die Keramikhülse.
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Die Erfindung ist nachfolgend an Hand eines in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
beschrieben.
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Es zeigen:
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Figur 1 eine scheamtische Ansicht eines Tanks zur
Speicherung von verflüssigtem Naturgas,
eines Gehäuses zum Hochpumpen des
verflüssigten Gases aus dem Tank, einer
Tauchpumpe im unteren Bereich innerhalb
des Gehäuses und eines Anschlußstücks für
die Stromversorgung für den Antrieb des
Pumpenmotors.
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Figur 2 eine perspektivische Darstellung des
Anschlußstücks, teilweise aufgebrochen,
zwecks Darstellung des inneren Aufbaus,
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Figur 3 schematisch und im Schnitt die Zuordnung
von Keramikhülse, des sie durchsetzenden
Leiters und des Balges, wobei ein Teil des
Flansches, der Keramikhülse und des
Leiters des Anschlußstücks im Schnitt
dargestellt ist,
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Figur 4 eine schematische Darstellung der Mittel
zur Montage des Balges zwischen der
Keramikhülse und dem Leiter in dem
Anschlußstück und
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Figur 5 einen Schnitt durch ein Anschlußstück für
die Stromversorgung nach dem Stande der
Technik.
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Figur 1 zeigt die Anwendung eines erfindungsgemäßen
Anschlußstückes für die Stromversorgung einer
Pumpeinrichtung in einem Vorratstank für Flüssiggas.
Mit a ist der Flüssiggas-Vorratstank bezeichnet, mit b
eine Einlaßleitung, mit c eine Steigleitung für das
Flüssiggas und d bezeichnet eine Tauchpumpe, die im
unteren Bereich eines Gehäuses d' vorgesehen ist, das
sich innerhalb des Flüssiggas Vorratstanks a befindet.
Mit e ist ein Anschlußkabel für den die Tauchpumpe
antreibenden Motor und f ein Anschlußstück für die
Stromversorgung eines die Tauchpumpe antreibenden
Motors bezeichnet, der im oberen Teil einer Schottwand
d" des Gehäuses d' befestigt ist; dieses Anschlußstück
f ist in den Figuren 2 bis 4 dargestellt.
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In den Figuren 2 bis 4 ist ein Flansch mit 1
bezeichnet, der eine Aufnahmeöffnung 2 sowie einen
Montageabschnitt 3 an seinem Umfang aufweist, über den
er an der Schottwandung d" des Gehäuses d' befestigt
ist.
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Eine Keramikhülse 4 weist an ihrem Umfang mehrere
Ringscheiben 2' aus Metall auf. Die Hülse 4 ist über
die Ringscheiben 2' in die Aufnahmeöffnung 2 eingesetzt
und sowohl an der Innen- als auch an der Außenseite des
Flansches 1 luftdicht befestigt.
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Mit 5 ist ein die Keramikhülse 4 durchsetzender Leiter
5 bezeichnet, der mittels Silberlot über eine
metallische Hülse 6 unterhalb des Flansches 1
(innerhalb des Gehäuses d') mit der Hülse verlötet ist.
Auf der der Atmosphärenseite oberhalb des Flansches 1
ist der Leiter 5 von einem Balg 8 mit Halbkugelprofil
luftdicht umschlossen, der mit jedem seiner Enden in
jeweils einem metallischen Endstück 6' befestigt ist.
Das die beiden Endstücke 6' mit der Keramikhülse 4 und
dem Leiter 5 verbindende Silberlot trägt das
Bezugszeichen 7.
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Der Balg 8 ist seinerseites mit den beiden metallischen
Endstücken 6' verschweißt.
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Die Montage des Balges 8 erfolgt wie nachstehend
beschrieben:
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Der Balg 8 kann sich innerhalb eines bestimmten
Temperaturbereichs linear dehnen und zusammenziehen.
Die Temperatur des Leiters 5 steigt von -162 ºC auf
100 ºC beim Betrieb der Tauchpumpe d im dargestellten
Ausführungsbeispiel. Für die Montage des Balges 8, der
unter Verwendung der beiden Metall-Endstücke 6' die
Keramikhülse 4 und den Leiter 5 umschließt, sollte
zumindest der Leiter 5 auf etwa 100 ºC erhitzt werden,
was zu einer linearen Dehnung führt, und auch der Balg
8 sollte linear gedehnt werden, bis er entsprechend
seiner Elastizität in den Bereich seiner maximalen
Längsdehnung oder verformt ist.
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Figur 4 zeigt ein Beispiel für das Montageverfahren des
Balges 8 unter Verwendung eines Silberlots 7, das an
den Innenflächen der metallischen Hülse 6 und der
metallischen Endstücke 6' aufgebracht wird, wobei der
Balg 8 aufgrund seiner Elastizität zuvor auf seine
maximale Länge gedehnt worden ist und im gedehnten
Zustand in einer Einspannvorrichtung 9 gehalten ist.
Der Balg wird in einem Ofen auf etwa 800 ºC erhitzt.
Die Keramikhülse 4 und der Leiter 5 werden bei dieser
Temperatur linear gedehnt; infolge der größeren Dehnung
des Leiters 5 wird dieser länger und gleitet innerhalb
der beiden metallischen Endstücke 6'.
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Das Silberlot 7 schmilzt bei etwa 780 ºC und diese
Temperatur sollte etwa fünf zehn Minuten
aufrechterhalten und dann verringert werden. Das
Silberlot 7 verfestigt sich im Zuge des
Temperaturabfalls und die Keramikhülse 4 bleibt wegen
der festen Verbindung mit der Hülse 6 unterhalb des
Flansches 1 mit dem Leiter 5 verbunden, während die
beiden Endstüke 6' jeweils mit der Keramikhülse 4 und
dem Leiter 5 oberhalb des Flansches 1 verbunden
bleiben. Demzufolge ist der Balg 8 mit dem einen Ende
der Keramikhülse 4 und dem Leiter 5 verbunden.
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Die Einspannvorrichtung 9 ist dann bei einer Temperatur
von 100ºC von den beiden metallischen Endstücken 6'
abzunehmen, was einer etwas höheren Temperatur als der
im Betrieb vorkommenden Maximaltemperatur entspricht,
damit der Leiter 5 frei kontraktieren kann.
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Der Leiter 5 kann sich also zwischen der metallischen
Hülse 6 und dem Balg 8 in Längsrichtung nicht
verändern, d.h. er behält seine Dehnung bei, ehe die
Temperatur im Ofen nicht auf etwa 100 ºC gesunken ist.
Nach dem Abnehmen der Einspannvorrichtung 9
kontraktiert der Leiter 5 bis die Raumtemperatur
erreicht ist. Der Grad der Verformung des Balges 8
bleibt in einem tolerierbaren Bereich obwohl dieser der
Kontraktion der beiden Teile folgt.
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Die Abnahme der Einspannvorrichtung 9 erfolgte bei dem
beschriebenen Ausführungsbeispiel bei einer Temperatur
von etwa 100 ºC, einem Wert, der die erforderliche
Sicherheit gewährleistet, wenn die Temperatur des
Leiters während der Stromaufnahme 80 bis 90 ºC beträgt.
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Das Anschlußstück für die Stromversorgung f wird nach
der industriellen Herstellung angeflanscht, wobei die
Oberseite des Balges 8 nach oben ins Freie geht, und
zwar an der Schottwand d" des Gehäuses d' der
Tauchpumpe d unter Zwischenschaltung des Montageteils 3
des Flansches 1, und wobei das Stromkabel e mit dem
Leiter 5 verbunden ist.
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Nach dem Einschalten der Tauchpumpe d steigt das
Flüssiggas im Gehäuse d' und tritt aus der Leitung c
aus. Da während des Betriebs das Flüssiggas mit der
Innenfläche des Flansches 1 in Berührung kommt und
hierbei eine Abkühlung auf eine Temperatur von -162 ºC
erfährt, kontraktieren die Keramikhülse 4 und der
Leiter 5, insbesondere der Leiter 5 entsprechend im
Betrieb auftretenden Temperaturänderungen. Da der
Leiter 5 an der Innenseite des Flansches 1 über die
metallische Hülse 6 fest eingespannt ist, wird er
entgegen der Elastitzität des Balges 8 an der Flansch-
Außenseite zusammengedrückt. Infolge der Kontraktion
des Leiters verformt sich auch der Balg 8 entsprechend
innerhalb der zugelassenen Toleranzen. Bei dieser
Verformung wirkt die Kontraktion des Leiters 5 über den
Balg 8 als Druckkraft auf die Keramikhülse 4.
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Nach dem Abschalten der Tauchpumpe d erhöht sich die
Temperatur des gesamten Anschlußstückes f auf die
atmosphärische Umgebungstemperatur. Dies führt dazu,
daß sich die Keramikhülse 4 und der Leiter 5 linear
ausdehnen und dadurch die Zug- also die
Verformungskraft auf den Balg 8 zunehmend geringer
wird. Mit Erreichen der Raumtemperatur endet auch die
lineare Dehnung, doch auch dann bleibt die Verformung
des Balges 8 innerhalb des maximal zulässigen Bereichs.
Folglich wird die elastische Verformung des Balges 8
auf die Keramikhülse 4 auch bei abnehmender Kraft
übertragen und übt Druck auf die Keramikhülse 4 aus.
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Nunmehr sei die praktische Anwendung der vorstehend
beschriebenen Erfindung erläutert:
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1) Durch die doppelte Abdichtung der Keramikhülse 4 und
des Leiters 5 auf der Innen- und Außenseite des
Flansches 1 verhindert die äußere Abdichtung jegliches
Austreten von Flüssigkeit oder Gas und die Sicherheit
der Einrichtung ist gewährleistet, auch wenn die innere
Abdichtung beschädigt werden sollte.
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2) Nicht nur die Keramikhülse 4 und der Leiter 5 sind
durch den Balg 8 an der Außenseite des Flansches 1
abgedichtet, sondern der Balg 8 umschließt auch die
Keramikhülse 4 und den Leiter 5 und kann sich aufgrund
seiner Elastizität bis zu einer Maximallänge an der
Stelle ausdehnen, an der sich der Leiter 5 linear bei
Maximaltemperatur gedehnt hat oder an einer Stelle, wo
die Temperatur noch etwas darüberliegt. Da beim
Hartverlöten des Balges in einem Ofen die
Längenänderung im Bereich des Anschlußstückes zwischen
etwa 700 ºC bis herunter auf 100 ºC, beispielsweise die
maximale Temperatur im Einsatz berücksichtigt wird, bei
der das Lot sich verfestigt, wird die Sicherheit der
Durchführung im praktischen Einsatz gewährleistet.
Der Balg 8 wie auch das Anschlußstück f können in dem
Bereich, in dem die Verformung stattfindet,
miniaturisiert werden.
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3) Der Balg 8 ist elastisch und ist zwischen dem voll
gedehnten (verschobenen) oder einem diesem nahezu
entsprechenden Zustand in einem Bereich um die
Keramikhülse 4 und den Leiter 5 fest. Demzufolge
kompensiert der Balg 8 nicht nur die lineare
Längenänderung des Leiters bei Kontraktion, sondern
auch bei der linearen Dehnung und die bei der
elastischen Verformung entstehenden Kräfte werden als
Druck auf die Keramikhülse 4 genutzt. Obwohl die
gesamte Reaktionskraft als Druck auf die Keramikhülse 4
wirkt, wird diese in keinem Fall beschädigt.
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4) Infolge der geringen Verschiebung des Balges 8 kann
dieser halbkugelformig ausgebildet werden. Wenn der
Balg 8 Vertiefungen aufweist, kann es dort zu Vereisung
und damit zur Beeinträchtigung der Funktion kommen,
insbesondere dessen Kompression; Eis kann sich dagegen
bei halbkugeliger Ausbildung nicht festsetzen, und
sollte es doch dazu kommen, kann das Eis mühelos
entfernt werden und das Zusammendrücken erfolgt ohne
Behinderung.
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Das erfindungsgemäße Anschlußstück f ist vielseitig für
die Stromversorgung auch anderer Verbraucher mittels
einer Schottdurchführung einsetzbar, und ist nicht auf
den beschriebenen Antrieb einer Tauchpumpe d
beschränkt.