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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Steuergerät in Monoblockausführung zur
automatischen Luftdrucksteuerung in einem Luftbehälter gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1. Ein Steuergerät
dieses Typs wird normalerweise zur Speisung einer Versorgungseinrichtung
für Druckluft
verwendet.
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Bei
industriellen Anwendungen ist eine Einrichtung zur Produktion von
Druckluft bekannt, welche im wesentlichen aus einem Schraubenkompressor
mit Ölbad,
einem Behälter
zur Luft/Öl-Trennung und einem
Sammelbehälter
für die
Druckluft besteht, der außerdem
getrennte Kühler
zur Abkühlung
von Luft und Öl,
Thermostatventile, Einwegventile, Maximaldruck-Ventile (Schalt-
oder Sicherheitsventile), Minimaldruck-Ventile und andere Steuer- und Kontrollgeräte enthält, welche
auf die Leitungen der Einrichtung einwirken.
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Insbesondere
wird üblicherweise
stromaufwärts
von der vorgenannten Einrichtung ein Ventil vorgesehen, welches
die Aufgabe hat, den Luftdurchfluss vom äußeren zum inneren Kreislauf
zu unterbrechen.
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Dieses
Ventil, normalerweise Ansaugregler genannt, von dem eine spezielle
Ausführungsform der
Konstruktion in dem italienischen Patent IT-B-01240865 im Namen
der Anmelderin beschrieben ist, ist auf der Ansaugöffnung des
Schraubenkompres sors montiert und hat die Aufgabe, den von außen kommenden
Luftstrom, je nach den Funktionsanforderungen der Einrichtung, zu
steuern oder zu unterbrechen.
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Der
Ansaugregler besteht im wesentlichen aus einem Schieber, der mit
einer geradlinigen Hin- und Herbewegung arbeitet, die durch den
Gleichgewichtseffekt zwischen der von der im Kreislauf befindlichen
Druckluft ausgeübten
Schubwirkung und der im Gegensinn zu der genannten Schubwirkung ausgeübten Schubwirkung
hervorgerufen wird, die von der Außenluft und durch die Widerstandswirkung einer
oder mehrerer entgegengesetzt wirkender Federn aufgebracht wird.
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Die
Verschiebung der Metallscheibe, die – in Bezug auf den festen Sitz – den Schieber
darstellt, kann zwei Bewegungsarten umfassen, nämlich eine proportionale Bewegung
oder eine komplette Bewegung (Kommutation).
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Im
ersten Fall besitzt der Schieber unbegrenzte Arbeitspositionen,
und jeder Position entspricht ein genau definierter Durchgangsquerschnitt der
Ansaugleitung für
Außenluft,
während
in dem zweiten Fall nur extreme Positionen zur Anwendung kommen,
welche den beiden Grenzsituationen entsprechen, nämlich dem
vollen Öffnen
oder dem kompletten Schließen
der Ansaugöffnung.
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Daraus
ergibt sich, dass es in dem ersten Fall notwendig ist, über Steuermittel
mit einer Intensität
zu verfügen,
welche fortgesetzt variiert, während in
dem zweiten Fall Steuermittel des Typs „alles oder nichts" oder Steuermittel
mit variabler Intensität
verwendet werden können,
vorausgesetzt, dass der Wert, bei dem die Umschaltung erfolgt, genügend konstant
ist (Referenzwert).
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Im
gegenwärtigen
Stand der Technik ist die Funktion des Ansaugreglers nur in den
beiden verschiedenen Arten möglich,
wenn die hydraulischen Kreisläufe
ausreichend komplex realisiert sind und Ventile enthalten, welche
den Druck des Fluids steuern, Ventile, welche die Fluidrate regeln
und Ventile, welche den Fluidfluss steuern, d. h. Ventile, die Vorrangsteuerungen
in dem Leitungsnetz definieren.
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Ziel
der Erfindung ist es, ein System zu schaffen, welches das gleiche
Resultat wie die bekannten Kreisläufe erzielt, aber mit wesentlichen
mechanischen und konstruktiven Vereinfachungen. Dieses Ziel wird
mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 erreicht.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass es mit dem erfindungsgemäßen Monoblock-Steuergerät möglich ist,
einen Gegendruck zum Ausgleich der negativen Schubwirkung zu erzeugen,
welche während
der proportionalen und das Vakuum erzeugenden Funktionsweise auf
die Mechanik des Schraubenkompressors einwirkt.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung wird dank der speziellen inneren
Formgebung des Monoblocks und der Ausstattung der beiden äußeren Elektroventile
mit einer gedruckten Schaltung die Möglichkeit vorgesehen, einen
progressiven, und nicht abrupten, Stillstand des Kompressors zu
erzielen, so dass die Mechanik der Schraubenpumpe nicht beschädigt wird.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ansaugregler
an der äußeren Luft-Ansaugöffnung und
an der Anschlussöffnung
an dem Kompressor mit lösbaren
Verbindungselementen, vorzugsweise mit Flanschen, versehen ist.
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Ein
weiteres Merkmal der Erfindung besteht in der Möglichkeit, einen Ansaugregler
des „Modul"-Typs zu schaffen,
wobei ein gleicher Korpus des Ansaugreglers mit einer anderen Kombination
von Verbindungselementen mit Flanschen und Monoblock-Steuer-geräten ausgestattet
ist. Dies gestattet eine schnelle und bemerkenswert ökonomische
Herstellung von Geräten,
welche auf die speziellen Anforderungen jedes Benutzers ausgerichtet
sind.
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Diese
Funktions- und Konstruktionsmerkmale der Erfindung, sowie weitere
Merkmale, werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen, welche ein
nicht eingeschränktes
Ausführungsbeispiel
nur zu Illustrationszwecken darstellen, beschrieben. In den Zeichnungen
stellen dar:
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1 ein generelles Schema
einer Einrichtung zur Produktion von Druckluft mittels eines Schraubenkompressors
mit Ölbad,
enthaltend das erfindungsgemäße Monoblock-Steuergerät;
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2 das Schema des fluiddynamischen Kreislaufs,
welcher in dem erfindungsgemäßen Monoblock-Steuergerät realisiert
wird;
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3 das Schema des Kreislaufs
während der
Startphase des Kompressors zum Erzeugen des Vakuums;
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4 das Schema des Kreislaufs
während der
Phase der Umschaltfunktion offen/geschlossen;
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5 das Schema des Kreislaufs
während der
Phase der Funktion und der Rückkehr
zum Vakuum-Zustand
des Kompressors;
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6 das Schema des Kreislaufs
während der
proportionalen Funktionsweise;
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7 das Schema des Kreislaufs
während der
progressiven Stillstand-Phase des Kompressors;
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8 eine Perspektivansicht
von außen
und die Montage des erfindungsgemäßen Monoblock-Steuergerätes;
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9 eine Perspektivansicht,
teilweise im Schnitt, des Ansaugreglers;
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10 eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Monoblock-Steuergerätes;
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11 eine Vorderansicht des
Steuergerätes
in „X"-Richtung von 10;
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12 eine Vorderansicht des
Steuergerätes
in „Y"-Richtung von 10;
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13 das Steuergerät im Schnitt
entlang der Linie XIII-XIII von 10;
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14 das Steuergerät im Schnitt
entlang der Linie XIV-XIV von 12;
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15 den Ansaugregler 002 im
Schnitt in der Stillstand-Phase des Kompressors;
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16 den Ansaugregler im Schnitt
in der Phase der proportionalen Funktionsweise;
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17 den Ansaugregler im Schnitt
während
der Phase der Vakuum-Funktion des Kompressors;
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18 den Ansaugregler im Schnitt
während
der Phase der Umschaltfunktion;
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19 eine Explosionsdarstellung
von möglichen
Kombinationen der Elemente eines Ansaugreglers des „Modul"-Typs;
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20, 21 zwei Perspektivansichten des Ensembles
zweier verschieden ausgestatteter Ansaugregler.
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Wie
aus 1 ersichtlich, besteht
die von dem erfindungsgemäßen Monoblock-Steuergerät 001 gesteuerte
Einrichtung zur Produktion von Druckluft im wesentlichen aus einem
Ansaugregler 002, welcher die Außenluft absperrt und an den
mit einem Elektromotor angetriebenen Schraubenkompressor mit Ölbad 003 weiterleitet.
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Das
von dem Kompressor erzeugte Druckluft/Öl-Fluidgemisch tritt in einen Trennbehälter 004 ein,
wo die Trennung von Luft und Öl
stattfindet.
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Die
Druckluft füllt
dann den zur Benutzung bereiten Sammelbehälter 005, während das Öl nach Durchlaufen
des Kühlers 006 im
geschlossenen Kreislauf zum Kompressor 003 zurückkehrt.
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Das
erfindungsgemäße Monoblock-Steuergerät 001,
welches mit Druckluft aus dem Trennbehälter 004 über die
Leitung 007 versorgt und durch die Wirkung der beiden Elektroventile 008 und 009 gesteuert
wird, ist auf dem Korpus des Ansaugreglers 002 montiert,
um dessen Funktion auf proportionale oder kommutative Weise zur
Regelung und/oder Unterbrechung des von außen kommenden Luftstroms entsprechend
den Anforderungen der Einrichtung gemäß den im Folgenden beschriebenen
Modalitäten
und Schemata zu steuern.
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Wie
in 2 gezeigt, besteht
das erfindungsgemäße Monoblock-Steuergerät 001 aus
einem Korpus 1 mit einer Vielzahl von Ausnehmungen, in
denen die Vorrichtungen zur Durchführung der Steuerung der Verteilung
von Druckluft und ein Netz von Leitungen, welche die Ausnehmungen
untereinander verbinden, angeordnet sind.
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Im
Detail sind in dem Korpus 1 zwei Ventile mit stationärer Drosselung
zur gelenkten Entladung 2A und 2B angeordnet,
ein Ventil zur schnellen Entladung 3, ein Ventil zur Steuerung
der Luftzufuhr 4 in die Schraube des Kompressors, ein Ventil
zur proportionalen Steuerung 5, zwei selektive Ventile
(Umsteuerventile) 6A und 6B und eine Kalibrierungsdüse 7.
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Außen am Korpus 1 befinden
sich außerdem die
am Monoblock 001 verankerten Elektroventile 008 und 009,
eine Schraube zur Minimaldruckregelung 8, eine Entleerungsschraube 9 und
ein Klappenventil 10, die am Korpus des Ansaugreglers 002 verankert
sind.
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Weiterhin
werden in Bezug auf 2 nachfolgend
die im Monoblock 1 angeordneten Leitungen beschrieben,
welche die verschiedenen, weiter oben aufgezählten Steuervorrichtungen verbinden.
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Aus
der mit dem Trennkreislauf 004 über die äußere Leitung 007 verbundenen
Eintrittsöffnung 100 kommt
die Luft zur Regelung des Steuergerätes.
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Die
Hauptleitung 111 versorgt das Schnellentleerungsventil 3 und
das Ventil 4, und von dieser Leitung zweigen die Leitungen 112A und 112B ab, welche
die entsprechenden Ventile 2A und 2B versorgen
und die Leitungen 113 und 114, welche ihrerseits
die entsprechenden Elektroventile 008 und 009 versorgen,
von denen die Leitungen 115 und 116, die mit den
entsprechenden Ventilen 2A und 2B kommunizieren,
abgehen.
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Die
Leitung 116 ist weiterhin über die Abzweigung 117 mit
dem Entleerungsventil 3 verbunden, von dem die mit dem
Ventil 6A verbundene Leitung 118 und die mit dem
Regler 9 versehene Leitung 119 über die
Entladungsöffnung 101 abzweigen.
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Das
Ventil 2B ist mit dem selektiven Ventil (Umsteuerventil) 6B über die
Leitung 120 verbunden, welche über die Abzweigung 121 und
die Entladungsöffnung 102 mit
der Minimaldruck-Regelschraube 8 und der Entladungsleitung 119 in
Verbindung steht.
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Die
Leitung 122 verbindet das Ventil 2A mit dem proportionalen
Steuerventil 5, von dem die Leitung 125 ausgeht,
welche über
das selektive Ventil (Umsteuerventil) 6B, die Leitung 126 und
die Entladungsöffnung 103 auf
den Schieber 022 einwirkt, der die Ansaugöffnung 021 unterbricht
und regelt.
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Von
der Leitung 125 gehen ebenfalls die Abzweigung 124,
welche über
das selektive Ventil 6A und die Leitung 127 in
das Ventil 4 eintritt, und die Abzweigung 123,
welche zur Kalibrierungsdüse 7 führt, aus.
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Schließlich steht
das Ventil 4 mit dem Schraubenkompressor 003 über die
Leitung 128, die Entladungsöffnung 104 und das
Rückschlagventil 10 in
Verbindung.
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Die
Funktionsweise des erfindungsgemäßen Monoblock-Steuergerätes ist
gemäß den verschiedenen
Arbeitsphasen und der Funktionsweise der Einrichtung zur Produktion
von Druckluft variabel:
erste Phase: vom Start und bis zur
anfänglichen
Herbeiführung
des Vakuumzustandes des Kompressors;
zweite Phase: Betrieb
bei Volllast mit kommutativer Regelung (offen-geschlossen);
dritte
Phase: Rückkehr
und Betrieb des Kompressors im Vakuum-Zustand;
vierte Phase: Betrieb
bei Volllast mit proportionaler Regelung;
fünfte Phase: progressives Außerbetriebsetzen
des Kompressors.
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In
der Startphase des Kompressors (siehe 3)
besteht die Funktion des Monoblock-Steuergerätes 001 aus dem Schließen der äußeren Luftansaugöffnung 021 durch
Verschieben des Schiebers 022 des Ansaugreglers 002,
um die in dem Kreislauf enthaltene Luft unter Druck zu setzen.
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Während dieser
Phase bleiben die beiden Elektroventile 008 und 009 unbeaufschlagt
und normalerweise geschlossen, während
die Druckluft, welche von dem Trennbehälter 4 kommt, beim
Durchlauf durch die Leitung 007 die in dem Monoblock-Korpus 1 enthaltenen
Ventile 2A, 2B, 3, 4 und 5 speist.
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Außerdem ist
es möglich,
ausgehend von dem Ventil 2B, die Leitung 120 zu
versorgen und über
das selektive Ventil 6B die Leitung 126, um auf diese
Weise das Verschieben des Schiebers 022 und das vollständige Schließen der
Ansaugöffnung 021 zu
bewirken.
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In
der Abzweigleitung 121 ist eine Minimaldruck-Stellschraube 8 angeordnet,
welche – eingestellt
durch die Bedienungsperson – einen
minimalen Luftdruckwert in dem Kreislauf garantiert und die eventuelle
Entladung von Druck mittels der Leitung 119 gestattet,
welche durch die mit der äußeren Umgebung
in Verbindung stehende Entladungs-Stellschraube 9 unterbrochen
wird.
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Die
kommutative Regelung bei Volllast (siehe 4), welche das vollständige Verschieben des Schiebers 022 zum Öffnen der
Ansaugöffnung 021 bewirkt,
erfolgt durch Erregung der beiden Elektroventile 008 und 009,
welche über
die Ausgangsleitungen 115 bzw. 116 den Zustand
der beiden stationären Drosselventile 2A und 2B modifizieren.
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Die
Abzweigung 117 beaufschlagt das Schnellentladungsventil 3 durch
Ausüben
eines Gegendrucks in Bezug auf die Leitung 111.
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Abgesehen
von der Leitung 122, isoliert man mit dieser Vorrichtung
auch die Leitung 120, und die darin enthaltene Luft gestattet
das Öffnen
des Schiebers 022 zum Ansaugen einer neuen Luftmenge, die mit
Druck beaufschlagt werden soll, indem sie durch die Leitungen 119 und 121 entweicht.
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In
der Vakuum-Betriebsphase des Kompressors (siehe 5), wenn der Arbeitsdruck in dem Sammelbehälter erreicht
worden ist, werden die beiden Elektroventile 008 und 009 entregt,
so dass in der ersten Phase die durch die Leitungen 120 und 126 strömende Luft
mittels des direktionalen Ventils 6B auf den Schieber 022 einwirkt
und die Ansaugöffnung 021 schließt.
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Ein
kleines Ansaugventil 023 gewährleistet die Aufrechterhaltung
einer minimalen Luftansaugung aus der äußeren Umgebung.
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Ferner öffnet sich
das Schnellentladungsventil 3, so dass die Luft beim Durchströmen der
Leitungen 118 und 127, welche über das direktionale Ventils 6A kommunizieren,
das Ventil 4 speist und dadurch es der Luft in der Haupt-Einlassleitung 111 ermöglicht, über die
Leitung 128 und das Rückschlagventil 10 zum
Kompressor 003 zurückzukehren,
wodurch auf diese Weise ein positiver Gegendruck in der Pumpenmechanik
des Schraubenkompressors erzeugt und die resultierende Abnutzung,
Vibrationen und Lärmentwicklung
reduziert werden.
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Diese
Betätigung
des Ventils 3 gestattet außerdem die Entladung der in
dem Luft/Öl-Trennbehälter 004 befindlichen
Luft über
die Leitungen 007, 111 und 119 in die äußere Umgebung
unter Zwischenfügung
eines nicht gezeigten Filters, so dass die Luft in den Kreislauf
zurückkehren
kann und neben der dadurch erzielten Filteraktion auch die Lärmentwicklung
begrenzt wird.
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Die
proportionale Regelung bei Volllast (siehe 6) durch den Schieber 022, welcher
sich entsprechend der für
den Bedarf benötigten
Luftmenge öffnet,
geschieht durch Erregung des Elektroventils 009, während das
Elektroventil 008 geschlossen bleibt, so dass die Luft
beim Durchströmen
der Leitung 122 in das proportionale Steuerventil 5 eintritt, von
wo aus beim Durchströmen
der Leitungen 125 und 126 und unter der Wirkung
der Betätigung
des selektiven Ventils 6B, der Schieber, welcher proportional
die Öffnung
der Ansaugöffnung 021 regelt,
betätigt
wird.
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Die
Abzweigung 124 speist über
das selektive Ventil 6A und die Leitung 127 das
Ventil 4, welches die Wirkung des posi tiven Gegendrucks
in der Mechanik des Schraubenkompressors sogar während dieser Phase aufrechterhält.
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Die
Abzweigung 123 ist mit der Kalibrierungsdüse 7 versehen,
welche zum Ausgleich der Wechselwirkung zwischen dem proportionalen
Ventil 5 und der Verschiebung des Schiebers 022 dient.
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Das
progressive Außerbetriebsetzen
des Kompressors (siehe 7)
erfolgt unter Verwendung einer gedruckten Schaltung, welche das
Elektroventil 009 simultan und progressiv entregt (schließt) und das
Elektroventil 008 erregt (öffnet).
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Mit
dieser Anordnung wird Luft aus dem Monoblock-Steuergerät progressiv durch die Entladungsöffnungen 101, 102, 103, 104 und über die
entsprechenden Leitungen 119, 121, 126, 128 bis
zum vollständigen
Stillstand des Kompressors 003 abgeführt.
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8–14 zeigen
eine mögliche
praktische Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Monoblock-Steuergerätes.
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Aus 8 ist das erfindungsgemäße, aus
einem im wesentlichen parallelepipedförmigen Metallelement 1 bestehende
Monoblock-Steuergerät 001 ersichtlich,
welches mittels Schrauben 011 an dem Korpus des Ansaugreglers 002 montiert
ist, der mit der Ansaugöffnung 021 und
dem Flansch 024 zum Anschluss an den Kompressor versehen
ist.
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Auf
dem Korpus 1 sind die Elektroventile 008 und 009,
die Ventile 2B, 3, 4, 5 und
die Lufteinlass-Steuerleitung 007 über die Öffnung 100 ersichtlich.
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Auf
dem Korpus 002 sind außerdem
die Stellschrauben 8 und 9 ersichtlich.
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Wie
aus 9 ersichtlich, ist
das erfindungsgemäße Monoblock-Steuergerät 001 an
dem Ansaugregler 002 durch Anlage an eine ebene Fläche 025 befestigt,
wo sich die Einlassöffnungen 119, 121, 126 und 128,
entsprechend den Leitungen 101, 122, 103 und 104 und
die Gewindebohrungen 012 zur Befestigung des Monoblocks
befinden.
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Der
teilweise Schnitt durch den Korpus des Ansaugreglers 002 gestattet
die Sicht auf den Schieber 022, welcher die Rolle des Kolbens
spielt, den Führungskolben 026,
der in dem Zylinder 027 gleitet und die Rückholfedern 028 und 029.
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In 10–12 sind
Konstruktionsdetails des kompletten Monoblocks dargestellt, welche
die Kompaktheit und den minimalen Raumbedarf hervorheben.
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In 13 und 14 ist neben den Verbindungsleitungen
auch die Konstruktion der Steuer- und Luft-Kontrollgeräte im Schnitt
dargestellt, welche Schieber und verschiedene Aktionen darstellen,
die einer von den genannten Vorrichtungen unterschiedlichen Funktionsweise
entsprechen.
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Im
Detail sind die stationären
Drosselventile 2A und 2B mit zwei Pendelschiebern 2A1 und 2B1 versehen
und durch Luft betätigt.
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Die
Ventile 3, 4 und 5 werden durch Luft
und durch die Rückholfedern 32, 42 und 52 betätigt und sind
mit einem Pendelschieber 33 und 43 oder einer Membran 53,
sowie mit Fluss-Stellschrauben 41 bzw. 51 versehen.
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Schließlich sind
aus 15–18 vier verschiedene Positionen
des Schiebers 022 in dem Ansaugregler 002 ersichtlich,
welche den vier verschiedenen Funktionsphasen der Einrichtung entsprechen.
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Insbesondere
muss auf die von den beiden Koaxialfedern 028 und 029 ausgeübte reziproke
Gegenwirkung hingewiesen werden, welche in Konkurrenz mit der aus
der Leitung 126 ankommenden Steuerluft und der Außenluft
von der Ansaugöffnung 021 die
Hin- und Her-Verschiebung
des Schiebers 022 in dem Führungskolben 026 und
in dem festen Zylinder 027 hervorrufen.
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In 19–21 ist
eine mögliche
Ausführungsform,
die sogenannte „modulare" Ausführungsform, der
kompletten Vorrichtung dargestellt.
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In
diesen Figuren ist der Korpus des Ansaugreglers 002.1 mit
der äußeren Luft-Eingangs-Kanalisation
und mit dem Kompressor 003 über Verbindungselemente 031 und 034 verbunden, welche
eine Befestigung durch Anschweißen
der Ansaugöffnung 021 und
des festen Verbindungsflansches 024 an den Kompressor entsprechend
ersetzen.
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Im
Detail weist der Korpus des Druckreglers 002.1 am Einlass
eine ebene Fläche 041 auf,
auf welcher mittels Schrauben 042 die Flansch-Verbindungselemente 031.1A/1B und 031.2A/2B,
deren Achse entweder mit derjenigen des Korpus übereinstimmt oder senkrecht
zu dieser angeordnet ist, gelagert sind.
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In
gleicher Weise wird im gleichen Korpus des Druckreglers 002.1 der
feste Flansch 024 durch die lösbaren Flansche 034.A/B ersetzt,
welche durch eine mechanische Verbindung, vorzugsweise eine zwischen
dem Ende 35 und der in dem Korpus angeordneten Ausnehmung 36 befindliche
Bajonettverbindung, an dem Korpus montiert sind.
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Natürlich weisen
auch die Flansch-Verbindungselemente 031 sowie die Flansche
mit den Enden 034 verschiedene nominale Durchmesser auf, indem
ein gleicher Regler-Korpus 002.1 verschiedene Kombinationen
gleicher Elemente (siehe 20, 21) besitzen kann, wodurch
er auch bei Kompressoren 003, welche verschiedene Funktionscharakteristiken
aufweisen, verwendet werden kann.
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Schließlich sind
die Vorteile aufgrund der Tatsache ersichtlich, dass das Monoblock-Steuergerät 001 selbst
auch lösbar
in Bezug auf den Regler-Korpus 002.1 ausgebildet ist, und
diese Vorteile ergeben sich auch bei der Montage der gesamten Vorrichtung, sowie
bei den normalen Wartungsarbeiten oder beim Austausch verschiedenen
Komponenten.