DE6942472U - Strombegrenzungselement - Google Patents

Description

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha, Tokyo / Japan

Strombegrenzungpolement

Die Erfindung betrifft ein Strombegrenzungselement -it einem leitenden Strombegrenzungsmaterial aus verdampfbarerr, Alkalimetall, mit einem Gehäuse, in welchem das Strombegrenzungsmaterial eingefüllt und abgedichtet gehalten wird, und mit Stromverbindungsklemmen, welche an entgegengesetzten Seiten des Strombegrenzungsmaterials zur Stromleitung durch das Stronbegrenzungsmaterial mit diesem verbunden sind. Sie betrifft insbesondere eine Strombegrenzungssicherung, die in Reihe mit einem Trennschalter benutzt wird.

Es ist bekannt, übliche Sicherungen zur Strombegrenzung in Reihenschaltung mit einerr. Trennschalter zu verwenden. Dabei genügt ein einziger Strombegrenzungsvorgang, um diese Sicherung in einen ständigen Isolator zu verwandeln. Eine v/eitere Benutzung der Sicherung wird also unmöglich, so daß ihr Austausch erforderlich ist.

Eine andere und bekannte Verrichtung zum Schutz gegen einen solchen iMangel verwendet ein StrombeGix-nzun^seiemont vom selbstregenerierenden Typ, das mit einem bei normaler Temperatur flüssigen elektrischen Leiter als Strombegrenzungsmaterial aufgebaut ist.Ein Loch in einem festen Isolator, der mindestens ein durchgehendes Kapillarloch aufweist, wird mit dem Leiter gefüllt. Leiter und Isolator v/erden dann von einem dicht geschlossenen Körper betrachtlicher Festigkeit umhüllt.Bei einem solchen Element muß der leitende Pfad des elektrischen Leiters innerhalb eines kleinen Kapillariochcs mit 0,01 bis 0,05 mm Durchmesser angeordnet sein, um die Festigkeit des Elements gegenüber dem bemerkenswert hohen Dampfdruck beim Verdampfen des Strombegrenzungsmaterials zu erreichen. Die Teile, welche den Isolator und das Loch umschließen, müssen aus starkem Material mit hoher mechanischer Festigkeit hergestellt sein.

Um ein Strombergrenzungselement des selbstregenerierer.-den Typs zu schaffen, welches nach einer Strombegrenzung schnell in seinen ursprünglichen Zustand zurückgeführt wird und welches wiederholt eine Strombegrenzung durchführen kann, ist ein Strcr.^- begrenzungselernent erforderlich, welches auf völlig anderen Grundsätzen als die bekannte Sicherung aufbaut.

Ein derartiges Strombegrenzungsmaterial muß folgende Bedingungen erfüllen:

1 . Bei normalen Temperaturen ist es ein guter elektrischer Leiter, wie etwa Metalle.

2. Durch Joule'sehe Wärme wird der Leiter dadurch verdampft, daß er bei Kurzschluß einen wesentlich höheren Widerstand

als die Kurzschlußimpedanz eines Kreises darstellt, und 5. Wenn die Strombegrenzung durchgeführt ist, wird das Material durch Kühlung oder Ersetzen verflüssigt und verfestigt und gewinnt seine ursprüngliche elektrische Leit-

Von solchen Materialien ist Quecksilber (im folgenden ~¹t Hg bezeichnet) das naheliegendste Beispiel. Es hat sich jouo... theoretisch und experimentell gezeigt, daß Natrium (im foiccnden mit Na bezeichnet), Kalium (im folgenden mit K bezeichnet) und eine"feste Mischung von Na und K (in folgenden mit NaK bezeichnet) bemerkenswert bessere Qualitäten für ein solches Strombegrenzungsmaterial als Hg auf v/eisen· Es hat sich gezeigt, daß bei der Verwendung von Na, K und NaK als Strombegrenzungsmaterial Strombegrenzungselemente vom selbstregenerierenden Typ mit bemerkenswert guten Eigenschaften gebaut werden können.

Um die Strombegrenzung wirksam und erfolgreich durchzuführen, ist es erforderlich, daß das Strorr.begrcnzungselement sofort die Energie des zugeführten Stromes absorbiert. Der spezifische Widerstand $ ' eines Plas.ias mit hoher Temperatur und hohem Druck, welches durch Verdampfung des Strombegrenzungsmaterials entsteht, ist bemerkenswert höher als der spezifische Widerstand S im Bereich normaler Temperatürer. Der spezifische Widerstand^ bei 20° beträgt für Hg 100 μ JL cm und für K / Es ist also der Widerstand von K bei normalen Temperaturen wesentlich geringer als der von Hg.

In Pig. 1 sind die Kennlinien des spezifischen Widerstands S eines Plasmas dargestellt, welches durch Verdampfung von Hg und K erreichbar ist. Bei diesen Kennlinien ist längs der horizontalen Achse die dem Material zugeführte Enthalpie h aufgetragen. Längs der vertikalen Achse ist die entsprechende Leitfähigkeit S des Materials (elektrischer Widerstand R = Jr) für die Enthalpie bei 100 Atmosphären Druck aufgetragen. Aus diesem Diagramm ist zu sehen, daß bei einer zugeführten Energie h von 10 J/icg der Widerstandswert für K 1 k^Zcm und für Hg 0,5 cm beträgt. Ähnlich vird R 3-2-cm für K und O,l6-/2cm für Hg, wenn eine Energie von 2 χ 10 J/kg zugeführt wird, Kurz gesagt, wird im/'Zustand des Plasmas bei hoher Temperatur der Widerstands-

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wert von K viel größer als der von Hg- Folglich ist es offensichtlich geworden., da3 K einen kleinen Widtrstandswert bei normalen Temperaturen aufweist, wenn ein niedriger Strom fließt, in.J da3 Os einen hohen Widerstandswr-t bei hohen Temperaturen aufweist, wein ein großer KurzschluSstrom flie3t. K v/eist daher äußerst günstige Widerstandseigenschaften im Vergleich mit Hz auf.

Der Atraosphärendruck bei 5000° K im P*.asmaraum, in welchem Einhei;srcengen von K und Hg in einer Kammer aus dem festen Kvrpor des gleichen Volumens vollständig verdampft sind, beträgt 4600 Atmosphären oei Hg bzw. 2000 Atmosphären bei K. Bei Versucher., bei welcher.die Strombegrenzung bei Benutzung von Alkalimetallen wie K, Na und NaK untersucht wurde, hat es sich gezei t, daß die Strombegrenzung sogar mit 100 Atmosphären durchgefünrt werden kann. Entsprechend ist das Material vom Standpunkt des Entwurfs aus gesehen günstiger, vd.-ches während der Verdampfung ze it beim gleichen Volumen don geringeren Druckanstieg zeigt, oder .in anderen Worten, das Material, welches während der Verdampfungszeit beim gleichen Druck die geringere Volumenänderung aufzeigt, weil dieses Material mit dünneren Gefäßwänden verwendet werden kann. K weist den geringeren Druckanstieg im Vergleich mit Hg auf.

Ziel der Erfindung ist es, ein Strombegrenzungselement zu schaffen, bei dem mit Alkalimetallen wie K, Na und NaK als Strombegrenzungsmaterial der Drjnpfdruck beim Verdampfen auf einen bestimmten Wert geregelt und auf diesem gehalten wird. Bei dem Aufbau eines derartigen Elements ist es dann nicht erforderlich, dem druckfesten Entwurf des Teiles, in welchem das Strombegrenzungsmaterial aufgefüllt und verdampft wird, besondere Beachtung zu schenken.

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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelost, daß das Strombegrenzungselement einen Druckpufferspeicher zur Regelung und Haltung eines vorbestimmten Wortes des im Gehäuse durch Verdampfung des Strombegrcnzungsnuterials durch einen durch das Strombegrenungsmaterial flic2endenStrom, welcher einen durch-das Strombegrenzungsmaterial vorbestimmten Wert übersteigt, hervorgerufenen Drucks enthält, v/obei der Druckpufferspsicher mit dom Strombegrenzungsmaterial funktionell verbunden ist.

Weitere Merkmale und zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen.

Mehrere Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden .Lm folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Kurvenbild, welches die elektrischen und thermischen

Eigenschaften von mit de.r Erfindung verwendeten Strombe grenzurgsmaterial zeigt,

Pig. 2 bis 9 Seitenansichten des konkreten Aufbaus von Ausführungsformen der Erfindung im Schnitt,

Fig. 10 ein Schaltbild., welches das Beispiel eines im Zusammenhang mit demStrombegrenzungselement aufgebauten Stromkreises zeigt,

Fig. 11 ein Kurvenbild, welches die Zustandsänderung eines Leiterstromes zeigt, wenn das Strombegrenzungselement im Schaltkreis nach Fig. 10 arbeitet.

In der folgenden. Zeichnung werden gleiche oder einander entsprccher.de Teile mit gleichen Bezugsziffern beteiligt.

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Pig. 1 wurde bereits weiter oben ausführlich beschrieben.

Fig. 2 zeigt eine typische Ausführungsforrr. der Erfindung. Ein GehäuGC 1 eines Isolators besteht aus verschiedenen Materialion. In der Nähe der Mittellinie des Gehäuses sind ein oder mehrere durchgebohrte Löcher 2 eingefügt. Die Durchmesser dieser durchgebohrten Löcher 2 betragen im wesentlichen etwa 1 mm, was in keinem Pail ein Kapi.llarr.ohr ist. Flansche 3 und schließen auf beiden Enden das Gehäuse 1 ab und halten es. Das Gehäuse 1 und die Plansche 3 und 4 können durch Verfahren wie Schweißen oder Aufdampfen von Überzügen druckdicht aufgebaut sein. Der druckdichte Aufbau kann auch über eine O-Ring-Dichtung lösbar erfolgen. Die Flansche 3 und 4 v/eisen jeder eine Stromverbindungsklernne auf. Der Raum zwischen zwei Flanschen 3 und 4 ist durch Schrauben eines Isolierbolzens oder eines Metallbolzens durch eine Isolierbüchse einstellbar, um das Gehäuse 1 nach Bedarf festziehen zu können. Ein Druckpufferspeichcr 5 regelt und hält den Anstieg des Dampfdruckes. In der Ausführungsform nach Fig. 2 enthält er einen Balg 6, der mit Stickstoff (Np) oder Argon (Ar) mit vorbestimmten Druck gefüllt ist. Ein Strombegrenzungsmaterial 7 aus Alkalimetall füllt das durchgebohrte Loch 2 im Gehäuse I und den Teil des Druckpufferspeichers, der außerhalb des Balgs 6 liegt.

DIq Druckpufferspeicherung erfolgt in diesen-. Fall wie folgt; Ein Kur.zschluisstrom bewirkt die Verdampfung des in das durchgebohrte Loch 2 und in den Teil des Druckpufferspeichers ρ außerhalb des Balgs 6 gefüllten Alkalimetalle. Der Druck steigt, der Balg 6 zieht sich infolge des Druckunterschieds gegenüber dem Druck im Balg zusammen und kompensiert hierdurch die kubische Ausdehnung des mit Alkalimetall gefüllton Teiles. Dor Druck wird In einem Gleichgewichtszustand gehalten ur.d ein plc'-ziichor Druckanstieg wird geregelt.

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~⁷' ι

Durch die Verwendung eines kompressiblon Druckpuffer- ϊ Speichers variablen Volumens wird eine sehr schnelle Selbstre- ' generierung nach der Strombecrenzungsunterbrechxing3 möglich. j Da das umgebende flüssige Alkalimetall 7 durch den Gegendruck ^; . dos Balgs nach Beendigung der Strombegrenzung schnell an die ^: Stelle des verdampften Alkalimetalls gedruckt wird, werden

:' das durchbohrte Loch 2 und der Teil des Druckpufferspeichers

; 5 außerhalb des Balgs 6 sofort mit flücägem Alkalimetall go-

; füllt und so schnell in ihren ursprünglichen Zustand zurückgebracht .

In der Ausführungsform nach Fig. 3 wird im Druckpuffer- j

; speicher 5 statt des Balgs 6 in Fig. 2 ein Kolbon 8 benutzt. j

'ι Der Druckpufferspeicher enthält auf der einen Seite des Kolbens : das Strombegrenzungsraaterial 7 und auf der anderen Seite ein

kompressibles Gas wie Stickstoff (Np) oder Argon (Ar) mit vor- [ bestimmtem Druck.

; Die Ausführungsform nach Fig. 4- ist mit einem Druck-

I pufferspeicher 5 ausgerüstet, bei welchem die Ausdehnung einer

{ flexiblen Membrane 9 statt des Balgs 6 oder des Kolbens 8 be-

I ' nutzt wird.

ϊ Die Pufferspeicherung des DruckpufferSpeichers 5 in Fig.

; 3 und 4 erfolgt auf fast die gleiche Weise wie im Zusammenhang

• mit Fig. 2 erklärt. Die drei oben genannten Ausführungsformen

I weisen in Bezug auf die Druckpufferspeicher Dehnungsfähigkeit

auf. Eine ähnliche Regelung und Halterung des Druckanstiegs kann durch andere Druckpufferspeicher durchgeführt werden, welche Räume mit variablem Volumen aufweisen. Fig. 5 und β z<3i£sn ar.:l2r-2 Äusführungjformen, bei welchen aas StrcmbogrenL-nssmatcrial 7 ^us Älkaii~-itall ui.J. >rin Rau^: mit variable'". Volumen 10 neboneinander im gloichen Gef'ä'-ί und gleichen Raum

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bestehen können. Der Raum 10 kann evakuiert oder mit Inertgas oder Argon gefüllt sein. Die Druckpufferspeich -nebe i dieser Konstruktion erfolgt duKh Regelung des extra Druckanstiegs, da u*.s Volumen des Raumes iO durch die Verdampfung des Alkalimetails 7 verkleinert wird und sich nach Beendigung der Strombegrenzung wieder auf seinen früheren Wert zurückbildet.

Die Wirkungsweise der Ausführungsfortn in Fig. 7 beruht auf den gleichen Grundsätzen wie die in Fig. 5 und 6. In dieser Ausführungsform wird das Strotnbegrenzungselement vertikal benutzt. Einestroraverbindungsklemnie 11 ist mit dem einen Plansch 4 verbunden und taucht in das flüssige oder fecte Alkalimetall 7 ein, so daS das Strombegrenzungselernent arbeiten kann.

Die Ausführungsform in Fig. 8 weist ein Gehäuse 1 auf, bei welchem die Quorschnittsflächeri der mit Alkalimetall als Strcrsbegrenzungsmaterial 7 zm füllenden Teile nicht einheitlich über der ganzen Länge sind.Durch die Änderung der Querschnittsflächen in axüer Richtung weisen die Teile, welche eine grcie Querschnittsflächc haben, inner eine Reserve an Leitfähigkeit auf. In dem Teil mit örtlich verringerten: Querschnitt kann eine schnelle Verdampfung und ein schnelles Anwachsen von verdampftem Strombegrenzungsmaterial 7 stattrinden.

Bei der Ausführungsforrn nach Pig· 9 trägt dehnbares Material des Gehäusas 1 selbst zur Regelung des Druckanstiegs bei. Als Materiellen für das Gehäuse 1 können hierbei ein Gumrnischlauch mit Eisendraht zur Verfestigung gegenüber den hohen Druck, Äthylentetraflucrldharzj Nylon, Clas-epoxyd oder dergleichen benutzt werden.

Wie o'ocT. erviihnz, sind ir. dor Erfindung Strombegrenzungsvorrichtungen Kit verschieden aus erführt en Linicicpufferspeichern

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gezeigt. Es ist klar, daß diese entsprechend der Benutzung, dem Zweck, dem Ort der Benutzung und dergleichen passend ausgewählt werden sollten.

Fig. 10 zeigt einen typischen Schaltkreis, in dem ein erfindungsgemäßes Strombegrenzungselement vorwendet v/ird. In Fig. 10 sind eine Wechselspannungsquelle 20, ein erfindungsgemäßes Element 21, ein Trenner oder Trennschalter 22 und eine Last 23 in Reihe geschaltet.

In einem solchen Kreis ist der Widerstand des Strombcgre-nzungselementes 21 bei gewöhnlicher Temperatur sehr klein, und die Abgabe von Wärme infolge des in diesem im leitenden Zustand fließenden Stromes genügt, um ein Wärmegleichgewicht dauernd aufrechtzuerhalten. Das Strombegrenzungselement 21 läßt dabei einen konstanten Leiterstroin durch, welcher die Last 25 mit gewöhnlicher elektrischerEnergie versorgt. Wenn jedoch am Punkt S ein Kurzschluß auftritt, wird infolge der durch den hohen Kurzschlußstrom hervorgerufenen Joule"sehen Wärme das Strombegrenzungsmaterial im Strcrr.begrenzungselement 21 verdampfen. Schließlich stellt das Strombegrenzungselement C 21 oin^n spezifischen Widerstand von etwa l-/£cm dar, so daß der Kurzschlußstrom begrenzt ist. Dieser Kurzschiußstrcm kann durch öffnen des in Reihe geschalteten Trennschalters 25 od . dergl. völlig unterbrochen werden. Wenn z.B. das in den Kreis eingeschaltete Strombegrenzungstiement 21 ein mit Strombegrenzungsmaterial gefülltes Teil von etwa 1 mm Durchmesser und 10 cm Länge aufweist; und wenn der Kreis eine Kurzschlußkapazität von 800 V, lOOOöA aufweist, wird der Strom sofort auf einenWert unter 1000 A begrenzt. Da der Widerstand des Strombegrenzungselements 21 in diesem Falle mehr als 1 k.-uausmacht, geht der Strom unter 0,8 A. Wie oben erwähnt, wird dieser Teil desStromes vollständig durch einen

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Trennschalter oder dergleichen unterbrochen. DIo änderung des LoiterstroiTiGS i zu diesem Zeitpunkt ist in ?i£:. II goze igt.

Da die Strombegrenzungsmatcriali'jn gute Eigenschaften bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen aufweisen, besteht, wie oben erwähnt und entsprechend der Erfindung, nicht länger die Forderung, daß alle Teile des Strombegronzur;r;scilem^ntes aus einem festen Körper wie früher erfordurj.ich, bestehen müssen. Durch die Verwendung eines Druckpufferspeichers, bei dem ein Teil aus einer flexiblen Substanz oder einem kornpressiblcn Raum variablen Volumens besteht, muß dem druckdichten £nt;/urf des Teils, in welchem das Strombogrcnzungsmatcrial eingefüllt ist und verdampft wird, keine besondere Beachtung mohr geschenkt word er..

Weiter kann bei der Benutzung des Strcmbegrer.zungsmaterials zusammen mit den oben genannten Druckpufferspeichern der Durchmesser des mit Strorabegrenzungsmat-rial gefüllten durchgebohrten Loches mit mehr als 1 mm gewählt werden, was kein Kapillarrohr ergibt. In früheren Strombegrenzungselementcn hatte das durchgebohrte Loch einenDurchmesser von 0,01 bis 0,03 mm, was dem Durchmesser eines Kapillarrohrs entspricht. Bei solchen früheren Elementen konnte die Änderung der Form und Abmessungen des Kapillarrohrs oder eine Verstopfung des Lochs infolge wiederholter Arbeitsweise zu einem großen Teil einen schlechten Einfluß auf die Strombegrenzung ausüben. Bei der Erfindung, bei der der Durchmesser des durchgebohrten Loches mit etwa 1 mm gewählt wird, können viele Zyklen von Strombegrenzungon stabil und sicher durchgeführt werden, da die Änderung der Form und Abmessungen des Loches so klein ist, daß sie gegenüber i ram vernachläßigbar ist. Ein weiterer Vorteil der Tatsache, daß der Durchmesser des durchgebohrten Loches so groß ist, das dieses nicht im Bereich eines Kapillarrohres liegt, besteht darin, daß das bei der Strombegrenzung verdampfte Strombegrenzung-

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material nach cioren Beendigung schnell zuruckr·'fuhrt v;lrd und das Element schnell in seinen Anfangszust'ir.d 'o^-vneriert v;ira un für eine weitere Strombegrenzung bereit G⁴j'-ht. Dic-";c Tatsache wird sehr vorteilhaft, v/enn dac Wiedereinschalten und die wiederholte Strombegrenzung mit hohor Geschwindigkeit.Gefordert werden.

Die Beschreibung hat Vorteile gezeigt für den Fall, da3 die geometrischen Abmessungen des Teiles, welches mit Stronbegrenzungsmaterial gefüllt wird - also tics durchgebohrten Loches so gewählt wurden, daß es nicht einem ..api Harr ohr entspricht. Entsprechend der Erfindung besteht ein Teil des Strombegrenrungselerrionts jedoch aus einem nicht allzu festen Körper, und ein wsiteres Teil weist eine Substanz oder einonRaum zur Druckpufferspeicherung auf. Die Frfindung könnte auch/m Zusammennang mit einem Strcrabegrenzungselement verwendet werden, das ein Loch mit einem Kapillarrohr ähnlichen Abmessungen auiVeist, ohne über den Bereich der Erfindung hinaus zu gehen. Ein Kapillarrohr würde jedoch nicht in einem bevorzugten Ausführungs'oeispiel der Erfindung benutzt werden.

Weitere Anwendungsbeispiele der Erfindung ergeben sich für den Fachmann. Auch andere Verfahren zur Verwirklichung der Erfin-

dung können sich demFachniann aus der Anmeldung erschließen.

Claims (1)

1. h u t ζ ansprüche

   1. Strombegrenzungselemcnt mit einem leitenden Strombegrenzungsmaterial aus verdampfbarem Alkalimetall, mit cinom Gehäuse, in welchem das Strombegrenzungsmaterial eingefüllt und abgedichtet gehalten wird, und mit Stromverbindungslclommen, welche an entgegengesetzten Seiten des Strombegronzungsmaterials zur Stromleitung durch das Strombegrenzungsmaterial mit diesem verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Strombegrenzungselement einen Druckpufferspeicher (5) zur Regelung und Haltung eines vorbestimmten Wertes des im Gehäuse (1) durch Vordampfung des Strombegrenzungsmaterials (7) durch einer; durch das Strombegrenzungsmaterial (7) fließenden Strom, welcher einen durch das Strombegrenzungsmaterial vorbestimmten Wert übersteigt, hervorgerufenen Drucks enthält, wobei der Druckpufferspeichor (5) mit dem Strombegrenzungsmatorial funktionell verbunden 1st.

   2. Strombegrcnzungselement nach Anspruch 1, dadurch g ο -

   k e η η ·/■ ο i c h η e t, daß das Stronibogronzungsmaterial (7) au? der Gruppe von Natrium, Kalium und einer festen Mischung beider ausgewählt ist.

   J. Strombegrcnzungselenient nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g eken η zeichnet, .da3 der Druckpufferspeicher (5) einen 3alg (6) enthält.

   4. Stronbegrenzungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dructcpufferspeiche.r (5) einen beweglichen KoIt~n (8) enthält.

   5942472-1.4.71

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   5· Strombegren^ungselemcnt nach Anspruch 1 odtr 2, dac' rc/ ge kennze 1 chne t, da3 der Druckpuff er-speic r (h) eine dehnbare Membrane (9) enthält.

   o.Strombepgren^ungsclemcnt nich Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet; daß der Druckpufferspeicher (5) einen Raum (10) mit variablern Volumen enthält, v/elcher evakuiert oder mit Inertgas gefüllt ist.

   7. Strombegrenzungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (l)aus dehnbarem Material zur Druckpufferspeicherung besteht.