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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung soll dazu dienen, verschiedene Arten von beweglichen Körpern, die
sich linear hin- und herbewegen, wie z.B. einen Kolben eines Kompressors,
direkt mit einem Kolben eines Verbrennungsmotors zu verbinden, um
den Antrieb der beweglichen Körper
zu bewirken.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Eine
Kurbelvorrichtung ist im Fachgebiet als Mittel zur Realisierung
der Energieumwandlung zwischen der Hin- und Herbewegung und der
Drehbewegung in einem Verbrennungsmotor oder einem Kompressor bekannt.
Es ist jedoch anzumerken, dass eine solche Kurbelvorrichtung einen
Verlust hinsichtlich des Wirkungsgrades der Energieumwandlung darstellt,
da eine Pleuelstange, die einen Kolben und eine Kurbelwelle verbindet,
in Bezug auf die Zylinderachse, außer wenn die Pleuelstange sich
am oberen oder unteren Totpunkt des Kolbens befindet, immer geneigt
ist. Es ist ferner anzumerken, dass eine Erscheinung, die „Kolbenkippen" genannt wird, verursacht
wird, bei der sich der Kolben an der Innenwand des Zylinders infolge
einer seitlichen Komponente der Kraft, die von der Pleuelstange
auf den Kolben als Reaktionskraft aufgebracht wird, reibt. Dies verursacht
Schwingungen, Geräusche
und Verschleiß.
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Es
ist jedoch anzumerken, dass sich die Verwendung der Kurbelvorrichtung
nach dem bisherigen Stand der Technik nicht vermeiden lässt, wenn
eine angetriebene Maschine anzutreiben ist, die einen beweglichen
Körper,
der sich linear hin- und herbewegt, wie z.B. einen Kolben eines
Kompressors, umfasst, der einen Verbrennungsmotor als Energiequelle nutzt. 4 zeigt drei Typen von Kupplungsmechanismen
zwischen einem Verbrennungsmotor E und einem Kompressor C. In den 4(a) und (b) umfasst jeder Verbrennungsmotor E
und jeder Kompressor C eine Kurbelvorrichtung. Bei dem in 4(a) dargestellten Kupplungsmechanismus wird eine
Drehbewegung mit Hilfe der Riemenscheiben 50a und 50b und
eines Riemens 51 übertragen.
Bei dem in 4(b) dargestellten Kupplungsmechanismus
wird eine Drehbewegung mit Hilfe einer Kupplung 52 übertragen.
Bei dem in 4(c) dargestellten Kupplungsmechanismus
ist eine gemeinsame Kurbelvorrichtung 53 an einer Position
angeordnet, wo sich die Zylinderachse des Motors E und die des Kompressors
C schneiden. In diesem Fall nutzen der Verbrennungsmotor E und der
Kompressor C einen gemeinsamen Kurbelzapfen 54.
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Die
drei oben erwähnten
Kupplungsmechanismen haben alle bedeutende Verluste während der Energieumwandlung,
da sie eine Kurbelvorrichtung verwenden.
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Um
diese Nachteile bezüglich
der oben erwähnten
bekannten Ausführungen
der Kurbelvorrichtung zu beseitigen, haben die Erfinder eine neue
Kurbelvorrichtung vorgeschlagen, die auf einem neuen Konzept basiert
(japanische Patentanmeldung No. 6-121776 (Hei-6-121776). Gemäß der neuen
Kurbelvorrichtung ist ein Planetenradmechanismus zwischen einer
Pleuelstange und einer Kurbelwelle zwischengeschaltet, damit eine
seitliche Amplitude, die am unteren Ende der Pleuelstange als Reaktion
auf die Drehung der Kurbelwelle hervorgerufen wird, durch den Planetenradmechanismus
aufgenommen werden kann. Dadurch wird die Pleuelstange längs der
Zylinderachsen immer aufwärts
und abwärts
bewegt, ohne Kippbewegungen hervorzurufen, wodurch der Wirkungsgrad
hinsichtlich der Energieumwandlung erhöht und die unerwünschte Erscheinung des
Kolbenkippens beseitigt werden kann.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die neue Kurbelvorrichtung
geeignet anzuwenden, um verschiedene Arten von beweglichen Körpern, die
sich linear hin- und herbewegen, wie z.B. einen Kolben eines Kompressors,
direkt mit einem Kolben eines Verbrennungsmotors zu verbinden, um eine
effiziente Energieübertragung
zu erreichen.
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In
EP-A-0708274 wird eine Kurbelvorrichtung offenbart, die Folgendes
umfasst: ein fest montiertes, innenverzahntes Sonnenrad, dessen
Mittelpunkt o sich an einem Punkt zwischen dem Verbrennungsmotor
und der angetriebenen Maschine auf einer Geraden befindet; ein Planetenrad,
das für
die Drehung um seinen Mittelpunkt und für die Drehbewegung um den Mittelpunkt
des innenverzahnten Sonnenrades in das innenverzahnte Sonnenrad
eingreift, wobei das Planetenrad einen Teilkreisdurchmesser aufweist,
der halb so groß ist
wie der des innenverzahnten Sonnenrades; ein Kurbelelement, das
einen Arm umfasst, der das Planetenrad an dessen mittigen Teil für die Drehung
um dessen Mittelpunkt lagert, sowie einen Schaft, der für die Drehung um
den Mittelpunkt o gelagert ist, um die Drehbewegung des Planetenrades
um den Mittelpunkt o zu ermöglichen;
und eine Pleuelstange, die sich zwischen dem Kolben des Verbrennungsmotors
und dem beweglichen Körper
der angetriebenen Maschine längs der
Geraden erstreckt, um den Kolben und den beweglichen Körper mit
dem äußeren Umfang
des Planetenrades schwenkbar zu verbinden.
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In
DE-A-3500644 wird eine Baugruppe offenbart, bestehend aus einem
Verbrennungsmotor und einer angetriebenen Maschine, die direkt aneinander gekoppelt
sind, umfassend: einen Verbrennungsmotor, der einen Kolben aufweist,
der sich linear hin- und herbewegen kann; und eine angetriebene
Maschine, die einen beweglichen Körper aufweist, der sich linear
hin- und herbewegen kann, wobei der Kolben des Verbrennungsmotors
und der bewegliche Körper
der angetriebenen Maschine zueinander so angeordnet sind, dass sie
längs einer
Geraden fluchten.
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Die
Erfindung stellt eine aus einem Verbrennungsmotor und einer angetriebenen
Maschine bestehende Baugruppe nach Anspruch 1 bereit.
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Bei
der Baugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung
kommt es darauf an, das statische und das dynamische Massengleichgewicht
um den mittigen Teil des Planetenrades sowie das statische und das dynamische
Massengleichgewicht um den Schaft des Kurbelelementes aufrechtzuerhalten,
um das Auftreten von Schwingungen zu vermeiden und um eine effiziente
Energieübertragung
zu erreichen.
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Es
ist vorteilhaft, den Arm des Kurbelelementes in dem Raum im innenverzahnten
Sonnenrad, unter Ausschluss des Raumes für das Planetenrad, drehbar
unterzubringen, um die Baugruppe der Erfindung kompakt zu konstruieren.
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Bei
der Baugruppe, die aus einem Verbrennungsmotor und einer angetriebenen
Maschine besteht, die gemäß der Erfindung
direkt aneinander gekoppelt sind, wird bei Betrieb des Verbrennungsmotors
die lineare Hin- und Herbewegung des Kolbens des Verbrennungsmotors über die
Pleuelstange direkt auf den beweglichen Körper der angetriebenen Maschine übertragen.
Der bewegliche Körper
wird somit linear genauso hin- und herbewegt wie der Kolben. Folglich
wird eine durch die Erscheinung des Kolbenkippens bedingte Kraftkomponente,
wie sie bei der Kurbelvorrichtung der bekannten Ausführungen
vorliegt, nicht erzeugt. Das Planetenrad wird um seinen Mittelpunkt
gedreht, während
es sich, gleichzeitig, um den Mittelpunkt des innenverzahntes Sonnenrades
und entlang dem innenverzahnten Sonnenrad dreht. Das Kurbelelement
wird somit entsprechend der Drehbewegung des Planetenrades gedreht.
Das Kurbelelement lagert nur das Planetenrad für die Drehung um dessen Mittelpunkt
und für
die Drehbewegung des Planetenrades um den Mittelpunkt des innenverzahntes
Sonnenrades und ist sonst keinen weiteren speziellen Belastungen
ausgesetzt. Folglich wird ein relativ hoher Wirkungsgrad hinsichtlich
der Energieübertragung
vom Kolben auf den beweglichen Körper
erreicht. Es ist ferner anzumerken, dass ein Schwungradeffekt durch
die Trägheit
der Drehbewegung des Planetenrades und die Trägheit der Drehung des Kurbelelementes
erzeugt wird, so dass die Abwärtsbewegung
und Aufwärtsbewegung
des Kolbens des Verbrennungsmotors und des beweglichen Körpers der
angetriebenen Maschine von ihrem jeweiligen oberen Totpunkt und
unteren Totpunkt aus jeweils vibrationsarm ausgeführt werden
können.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Zum
besseren Verständnis
der Art und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die folgende
detaillierte Beschreibung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen
heranzuziehen, wobei:
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1 eine
schematische Darstellung, im Längsschnitt,
einer Verbrennungsmotor-Kompressor-Baugruppe
ist;
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2 eine
wirklichkeitsgetreue Darstellung, im Längsschnitt, der Verbrennungsmotor-Kompressor-Baugruppe
ist;
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3 eine
Konstruktionsdarstellung ist, die den Gewichtsausgleich der Verbrennungsmotor-Kompressor-Baugruppe
zeigt; und
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die 4(a), (b) und (c) schematische Darstellungen sind,
die drei Typen von Mechanismen für die Übertragung
der Energie zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Kompressor zeigen.
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BESTE AUSFÜHRUNGSFORM
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Eine
Ausführungsform,
bei der die Erfindung auf eine Verbrennungsmotor-Kompressor-Baugruppe 1 angewandt
wird, wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 erläutert. Die
Baugruppe 1 wurde konstruiert, um eine lineare Hin- und Herbewegung
eines Kolbens 2a eines Verbrennungsmotors E direkt auf
einen Kolben (beweglicher Körper) 2b eines
Kompressors (angetriebene Maschine) zu übertragen, um eine lineare
Hin- und Herbewegung des Kolbens 2b des Kompressors C zu bewirken.
Zu diesem Zweck sind ein Zylinder 4a des Verbrennungsmotors
E und ein Zylinder 4b des Kompressors C so angeordnet,
dass ihre Achsen ausgerichtet sind und auf einer Geraden liegen.
Es ist ferner anzumerken, dass der Kolben 2a des Verbrennungsmotors
E und der Kolben 2b des Kompressors C mit Hilfe einer Pleuelstange 6 miteinander
integral verbunden sind.
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Ein
innenverzahntes Sonnenrad 8a ist an einer Position zwischen
dem Verbrennungsmotor E und dem Kompressor C fest angeordnet. Das
innenverzahnte Sonnenrad 8a hat seinen Mittelpunkt O auf den
ausgerichteten Achsen der Zylinder 4a und 4b. Das
innenverzahnte Sonnenrad 8a greift in ein Planetenrad 10 ein,
das einen Teilkreisdurchmesser aufweist, der halb so groß ist wie
der des innenverzahnten Sonnenrades 8a. Die Pleuelstange 6 ist,
an ihrem Zwischenteil, mit einem Schaft 12 verbunden, dessen
eine Stirnfläche
bündig
zur Umfangsseitenfläche des
Planetenrades 10 angeordnet ist. Der Schaft 12 kann
fest mit der Pleuelstange 6 verbunden sein, solange wie
der Schaft 12 in Bezug auf das Planetenrad 10 drehbar
angebracht ist. Für
eine kompakte Konstruktion der Baugruppe 1 ist der Schaft 12 gewöhnlich in
Bezug auf die Länge
der Pleuelstange 6 direkt an der Mittelposition angeordnet.
Es ist jedoch anzumerken, dass der Schaft 12 an der Pleuelstange 6 an einer
Position angeordnet sein kann, die zu einem Ende der Pleuelstange 6 hin
etwas versetzt ist. Die Pleuelstange 6 kann als integraler
Körper
ausgebildet sein. Alternativ kann die Pleuelstange 6 an
einem Teil geteilt sein, an dem der Schaft 12 montiert
wird, um, beispielsweise, den zulässigen Fehler bei der Montage
aufzunehmen. In diesem Fall werden ein Kolben 2a und der
Schaft 12 mit Hilfe einer ersten Pleuelstange miteinander
verbunden, während
der andere Kolben 2b und der Schaft 12 mit Hilfe
einer zweiten Pleuelstange miteinander verbunden werden.
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Das
Planetenrad 10 ist, an seinem mittigen Teil, am vorderen
Endteil eines Armes 14b eines einen Schaft 14a aufweisenden
Kurbelelementes 14 drehbar gelagert, der mittig an dem
Mittelpunkt O des innenverzahnten Sonnenrades 8a angebracht
ist, wie dies in 3 dargestellt ist. Das Kurbelelement 14 erstreckt
sich in einer Richtung senkrecht zum Zeichnungsblatt, wie dies in
den 1 bis 3 dargestellt ist. Das Kurbelelement 14 lagert
das Planetenrad 10 so, dass sich das Planetenrad 10 zum
einen im innenverzahnten Sonnenrad 8a um seinen Mittelpunkt
und sich zum anderen um den Mittelpunkt O des innenverzahnten Sonnenrades 8a drehen kann.
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Die
Grundkonstruktion der Verbrennungsmotor-Kompressor-Baugruppe 1 wurde
vorstehend erläutert.
Die Grundkonstruktion der Verbrennungsmotor-Kompressor-Baugruppe 1 wird
eingehender unter Bezugnahme auf 2 erläutert. 2 zeigt ein
Paar Planetenradmechanismen 16 und 16, wobei jeder
Planetenradmechanismus aus einem innenverzahnten Sonnenrad 8a und
einem Planetenrad 10 besteht und auf gegenüber liegenden
Seiten (d.h. der linken Seite und der rechter Seite) der Pleuelstange 6 angeordnet
ist. Bei dieser Verbindung ist es möglich, nur einen Planetenradmechanismus 16 auf
einer Seite der Pleuelstange 6 anzuordnen. Es ist jedoch anzumerken,
dass sich die mechanische Stabilität der Baugruppe 1 durch
Bereitstellen des oben erwähnten
Paares von auf der linken Seite und der rechten Seite angeordneten
Planetenradmechanismen 16 bedeutend erhöhen lässt. Ein Gehäuse 18, das
einen zylindrischen Teil 18a umfasst, ist zwischen dem
Zylinder 4a des Verbrennungsmotors E und dem Zylinder 4b des
Kompressors C angeordnet. Das innenverzahnte Sonnenrad 8 ist,
an seinem äußeren Umfang,
im Gehäuse 18 fest
eingepasst, und zwar entlang dem inneren Umfang desselben.
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Das
Sonnenradelement 8 weist einen ringartigen oder ringförmigen Aufbau
auf. Das innenverzahnte Sonnenrad 8a ist im inneren Umfang
des Sonnenradelementes 8 am oberen oder unteren Teil desselben
ausgebildet. Ein Planetenrad 10 greift in das innenverzahnte
Sonnenrad 8a für
die Drehung um seinen Mittelpunkt und für die Drehbewegung um den Mittelpunkt
O des innenverzahnten Sonnenrades 8a ein. Das Planetenrad 10 weist
einen Teilkreisdurchmesser auf, der halb so groß ist wie der des innenverzahnten
Sonnenrades 8a. Das Planetenrad 10 ist mit dem
gegenüber
liegenden Planetenrad über
einen gebogenen Schaft 20 integral verbunden. Eine im Zwischenteil
der Pleuelstange 6 ausgebildete, axiale Bohrung 22 ist
für die
Drehung mit Hilfe eines Schaftes 12, der am gebogenen Schaft 20 an dessen
mittlerem Teil ausgebildet ist, schwenkbar gelagert. Die Kolben 2a und 2b sind
auf der Pleuelstange 6 an deren entgegengesetzten Enden
jeweils mit Hilfe der Kolbenbolzen 24a und 24 montiert.
Es ist anzumerken, dass der gebogene Schaft 20 an der Fläche gegenüber dem
Schaft 12 bereitgestellt wird, und zwar mit einem Gegengewicht
M1, das mit demselben integral geformt ist. Das Gegengewicht M1
erstreckt sich vom gebogenen Schaft 20 aus radial nach
außen.
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Ein
Lager 26 wird im inneren Umfang des innenverzahnten Sonnenradelementes 8 an
einer Position neben dem innenverzahnten Sonnenrad 8a für die drehbare
Lagerung eines Kurbelelementes 14 bereitgestellt. Das Kurbelelement 14 ist
im Innenraum des innenverzahnten Sonnenrades 8a angeordnet,
um das Planetenrad 10 in demselben einzuschließen. Das
Kurbelelement 14 ist, an einem äußeren Umfang desselben, mit
Hilfe des Lagers 26 drehbar gelagert. Das Kurbelelement 14 ist
ferner, an dem anderen äußeren Umfang
desselben, mit Hilfe eines separaten Lagers 28 drehbar
gelagert, das am inneren Umfang des Gehäuses 18 bereitgestellt
wird.
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Das
Planetenrad 10 ist, an seinem Mittelpunkt, mit einer axialen
Bohrung 30 ausgebildet. Die axiale Bohrung 30 dient
auch als Schmierbohrung. Ein Spindelteil 14c, der vom Kurbelelement 14 aus hervorsteht,
ist in die axiale Bohrung 30 drehbar eingepasst. Der äußere Umfang
des gebogenen Schaftes 20 neben dem Planetenrad 10 ist
durch ein Lager 14d drehbar gelagert, das am Kurbelelement 14 bereitgestellt
wird. Das Kurbelelement 14 ist mit einem Gegengewicht M2
integral geformt. Das Gegengewicht M2 erstreckt sich von der Seite
des Kurbelelementes 14 aus radial nach außen, und
zwar entgegengesetzt zum Arm 14b.
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Die
Gegengewichte M1 und M2 werden nachstehend erläutert. Erstens wird das Gegengewicht
M1 bereitgestellt, um das statische und das dynamische Massengleichgewicht
um die axiale Bohrung 30 des Planetenrades 10,
die als Zentrum fungiert, aufrechtzuerhalten (gleichbedeutend mit
dem Gewichtsausgleich für
das Planetenrad 10 während seiner
Drehung um den Mittelpunkt desselben). Somit wird M1 bestimmt durch
die Erfüllung
der Gleichung: A × R1
= M1 × L1,
wobei L1 der Abstand vom Mittelpunkt des Planetenrades 10 bis
zum Schwerpunkt des Gegengewichtes M1 ist (siehe 3),
A das Gewicht der Kolben 2a und 2b einschließlich der Pleuelstange 6 ist
und R1 der Radius des Planetenrades 10 ist. Zweitens wird
das Gegengewicht M2 bereitgestellt, um das statische und das dynamische Massengleichgewicht
um den Schaft 14a, der als Zentrum fungiert, aufrechtzuerhalten
(gleichbedeutend mit dem Gewichtsausgleich für das Planetenrad 10 während seiner
Drehbewegung um den Mittelpunkt des innenverzahnten Sonnenrades 8a).
Somit wird M2 bestimmt durch die Erfüllung der Gleichung: B × R2 = M2 × L2, wobei
L2 der Abstand vom Schaft 14a des Kurbelelementes 14 bis
zum Schwerpunkt des Gegengewichtes M2 ist, B das Gewicht des Planetenrades 10 und
des Armes 14b des Kurbelelementes 14 plus dem
oben erwähnten
Gewicht A ist und R2 der Abstand vom Mittelpunkt O des Schaftes 14a des
Kurbelelementes 14 bis zur Spitze des Armes 14b des
Kurbelelementes 14 ist.
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Um
das Ausgleichsgewicht M1 in der erste Gleichgewichtsgleichung zu
verringern, muss die Masse des gebogenen Schaftes 20 möglichst
weit entfernt vom Drehzentrum des Planetenrades 10 angeordnet
werden. Alternativ muss der Abstand L1 vergrößert werden. In gleicher Weise
und um das Ausgleichsgewicht M2 zu verringern, muss die Masse der
Kurbelwelle 14 möglichst
weit entfernt vom Drehbewegungszentrum des Planetenrades 10 angeordnet
werden. Alternativ muss der Abstand L2 vergrößert werden. Es ist jedoch
anzumerken, dass jeder der Abstände
L1 und L2 in einem geeigneten Größenbereich
gehalten werden sollte, da die Vergrößerung des Abstandes L1 und
L2 einen bedeutenden Einfluss auf die jeweilige Außenabmessung
der Baugruppe 1 haben kann.
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Die
entgegengesetzten Enden des Gehäuses 18 sind
durch einen jeweiligen Stirnwandteil 18b so geschlossen,
dass die entgegengesetzten Stirnflächen des Kurbelelementes mit
einer dazwischen befindlichen Raum umschlossen sind, wodurch ein Ölversorgungskanal 34 an
jedem der Stirnwandteile 18b gebildet wird. Jeder der Ölversorgungskanäle 34 kommuniziert
mit den Schmierbohrungen 36 und 38 des Kurbelelementes 14.
Somit erfolgt die Schmierung bezüglich
der äußeren Umfangsfläche des Schaftes 12,
die zur Lagerung der Pleuelstange 6 dient, über eine
Schmierbohrung 36, die axiale Bohrung 30 und die
Schmierbohrung 37 des gebogenen Schaftes 20. Die
Schmierung bezüglich
der Lager 26 und 28, die zur Lagerung des Kurbelelementes 14 dienen,
erfolgt über
die andere Schmierbohrung 38 und der Raum 32.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Verbrennungsmotor-Kompressor-Baugruppe 1 erläutert. Es ist
jedoch anzumerken, dass die vorliegende Erfindung anstatt auf einen
Kompressor auf jede angetriebene Maschine angewandt werden kann,
die einen beweglichen Körper
aufweist, der sich linear hin- und herbewegt. Die Erfindung kann
beispielsweise auf einen Vibrationsbodenverdichter angewandt werden.
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Wie
somit anhand der obigen Beschreibung anerkannt werden wird, ist
die Erfindung so konstruiert, dass eine lineare, hin- und hergehende
Bewegung eines Kolbens eines Verbrennungsmotors über eine Pleuelstange direkt
auf einen beweglichen Körper
einer angetriebenen Maschine übertragen
wird, um die lineare Hin- und Herbewegung des beweglichen Körpers zu
bewirken. Somit lassen sich der Verlust hinsichtlich des Wirkungsgrades
sowie die Schwingungen bzw. das Geräusch infolge des Kolbenkippens
und dergleichen, wie bei sie beim Energieübertragungsmechanismus der
bekannten Ausführungen
vorliegen, die eine Kurbelvorrichtung verwenden, begrenzen oder
beseitigen, wodurch eine relativ effiziente und geräuscharme
Energieübertragung
realisiert wird. Es ist ferner anzumerken, dass sich der Einbauraum
durch eine vertikale Anordnung der Baugruppe der Erfindung stark
verringern lässt, da
der Verbrennungsmotor und die angetriebene Maschine geradlinig angeordnet
sind.
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Außerdem lässt sich
erreichen, dass die Schwingungen verhindert und der Energieübertragungs-Wirkungsgrad
verbessert werden, indem das statische und das dynamische Massengleichgewicht um
den mittigen Teil des Planetenrades sowie das statische und das
dynamische Massengleichgewicht um den Schaft des Kurbelelementes
aufrechterhalten werden.
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Darüber hinaus
kann der Arm des Kurbelelementes im Raum in dem innenverzahnten
Sonnenrad, unter Ausschluss des Raumes für das Planetenrad, drehbar
untergebracht werden, so dass die Baugruppe gemäß der Erfindung kompakt konstruiert werden
kann.
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Es
wird ferner für
den Fachmann offensichtlich sein, dass viele Änderungen an der obigen Ausführungsform,
die hier zur Erläuterung
der vorliegenden Erfindung gewählt
wurde, vorgenommen werden können,
wobei sich das vollständige
Ergebnis durch Heranziehen der Doktrin von Äquivalenten ergeben kann, ohne
dass vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abgewichen wird,
wie er in den beigefügten
Patentansprüchen
definiert ist.