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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Infusionsdüse zum Eingeben von behandeltem
Wasser in eine Wassermasse, so dass eine optimale Dispersion des
behandelten Wassers und dessen Inhalten in das Wasser der Wassermasse
vorgesehen wird.
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Stand der
Technik
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Während der
Behandlung des Wassers in Wassermassen, wie etwa Aquarien, Teichen,
Becken und Whirlpools, ist es allgemein üblich, eine kleinere Wassermenge
zu behandeln und diese in die größere Masse
zu injizieren, so dass der größeren Masse die
Behandlungssubstanzen zugegeben werden, die von dem Behandlungswasser
mitgeführt
werden. Ozon, Sauerstoff, Luft und Chlor werden häufig in das
Behandlungswasser injiziert und von diesem zu der größeren Masse
mitgeführt,
wo diese Substanzen zum Beispiel den Geruch und Bakterien regeln können. Es
gibt zahlreiche weitere Beispiele, die alle auf der Infusion der
Behandlungssubstanzen beruhen, so dass sie sorgfältig über die größere Wassermasse verteilt werden.
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Die
Vorrichtung zum Injizieren von Behandlungssubstanzen, bei denen
es sich um Flüssigkeiten sowie
um Gase handeln kann, in das Behandlungswasser weist einen hohen
Entwicklungsstand auf. Eine geeignete Vorrichtung ist ein Aspirations-
bzw. Sauginjektor der in dem U.S. Patent US-A-4,123,800 an Mazzei
offenbarten Art zum Injizieren von Behandlungssubstanzen in ein
Behandlungswasser sowie ein entsprechender Injektor zur Ausführung dieser
Aufgabe. Das Ziel ist es, eine hohe Konzentration des Behandlungsgases
oder der Behandlungsflüssigkeit
vorzusehen, das bzw. die verteilt über die größere Masse alle etwaig vorhandenen
Wasserbelastungen und -risiken regelt.
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Die
Wirksamkeit dieses Verfahrens ist natürlich von der sorgfältigen Verteilung
des Behandlungsmaterials abhängig.
Verhältnismäßig häufig ist
das Behandlungsmaterial an der Infusionsdüse sowohl in gesättigter
Lösung
in dem Behandlungswasser wie auch als Blasen vorhanden. Wenn Gasblasen
groß sind
und lediglich an die Oberfläche
steigen und zerplatzen, so geht das Gas verloren, wobei dies sogar eine
Gefahr darstellen kann. Die Freigabe von Ozon in die Luftumgebung
ist zum Beispiel streng geregelt, und häufig müssen Systeme mit einem geringeren als
dem optimalen Ozondurchsatz betrieben werden, so dass nicht aufgelöstes Ozon
nicht aus dem Wasser austritt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Infusionsdüse vorzusehen,
aus der Behandlungswasser mit einem verbesserten Strömungsmuster
in eine Wassermasse injiziert wird, wobei dabei eine Strömung in
die größere Masse
vorgesehen wird, wobei die Blasen nicht nur klein und gut verteilt
sondern auch in einem fließenden
Strom vorgesehen sind, der, wenn er in die größere Masse eingegeben wird,
selbst einen großen
Teil des vorher unbehandelten Wassers aufweist. Die Blasen werden
dadurch noch umfassender verteilt und in dem zu behandelnden Wasser
aufgelöst.
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Diese
Aufgaben werden bei lediglich geringem Energieverlust erreicht,
so dass die Kraft und der "Bereich" der Wassersäule des
behandelten und direkt betroffenen Wassers nicht nennenswert abgeschwächt bzw.
verkürzt
werden. Dieser Vorteil ist so ausgeprägt, dass die Ausgabe aus dieser
Infusionsdüse dazu
verwendet werden kann, den Boden eines Tanks bzw. eines Speichers
zu spülen,
um einen breiteren Pfad bzw. Schwall vorzusehen und um eine starke
Mischwirkung vorzusehen.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Eine
Infusionsdüse
gemäß der vorliegenden Erfindung
weist einen Düsenkörper mit
einem dort hindurch verlaufenden Strömungsdurchgang auf. Der Strömungsdurchgang
weist eine Einlassöffnung, eine
Auslassöffnung
und eine Wand mit kreisförmigem
bzw. rundem Querschnitt auf, die sich entlang einer zentralen Achse
zwischen den beiden Öffnungen
erstreckt.
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Die
Wand weist einen Einlassabschnitt auf, der sich von der Einlassöffnung erstreckt
und einen im Wesentlichen zylindrischen Durchmesser aufweist. Ferner
weist sie einen Verengungsabschnitt auf, der vorzugsweise kegelstumpfartig
ist, mit einem Durchmesser, der von dem Einlassabschnitt weggehend
kleiner wird. Sie erstreckt sich zu der Auslassöffnung an dem kleineren Ende
des Verengungsabschnitts.
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Eine
Mehrzahl von Flügeln
steht in den Durchgang von der Wand vor. Jeder Flügel erstreckt sich
teilweise in den Einlassabschnitt und teilweise in den Verengungsabschnitt.
Diese Flügel
weisen eine bestimmte Länge,
Dicke und Ablenkfläche
auf, die zu dem eintretenden Wasserstrom von der Einlassöffnung gerichtet
ist. Ihre Enden, die näher
an der Auslassöffnung
liegen, sind räumlich
getrennt von der Auslassöffnung
angeordnet. Jeder Flügel
weist einen Scheitel auf, der sich in den Einlassabschnitt und den Verengungsabschnitt
erstreckt. Die Ablenkfläche
endet an dem Scheitel und bildet einen kleinen Winkel im Verhältnis zu
einer Ebene, welche die zentrale Achse aufweist und verläuft durch
den Flügel,
wo der Flügel
die Verbindungsstelle zwischen dem Einlassabschnitt und dem Verengungsabschnitt
kreuzt. Die Flügel
sind symmetrisch räumlich
getrennt voneinander angeordnet. Ihre Scheitel schneiden die zentrale Achse
nicht.
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Als
Folge dessen wird ein wesentlicher äußerer Teil der strömenden Flüssigkeit
so abgelenkt, dass eine Drehbewegungskomponente aufgenommen wird,
während
ein zentraler "Kern" des fließenden Stroms
den Weg entlang eines geraden axialen Pfads fortsetzt.
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Der
aus der Düse
austretende resultierende Fluidstrom sieht sowohl axiale wie auch
radiale Geschwindigkeiten vor, die größer sind als das Fluid, in das
der Strom eingegeben wird. Durch diese im Verhältnis höheren Geschwindigkeiten des
Stroms über dessen
Länge ist
dessen Druck somit niedriger als der Druck des Wassers oder Fluids,
in das der Strom injiziert wird (in Übereinstimmung mit dem Bernouillischen
Gesetz). Dies führt
zu einer aktiven Mitführung von
unbehandeltem Wasser oder Fluid in dem Strom über die gesamte Länge des
Stroms in volumetrischen Verhältnissen,
die um ein Vielfaches höher sind
als das Volumen des aus der Düse
eintretenden Stroms.
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Die
vorstehenden und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden
aus der folgenden genauen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen
besser verständlich.
In den Zeichnungen zeigen:
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 eine
Endansicht einer Infusionsdüse gemäß der vorliegenden
Erfindung entlang der Linie 1-1 aus 3;
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2 eine
Endansicht entlang der Linie 2-2 aus 3;
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3 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie 3-3 aus 1;
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4 eine
bruchstückartige
Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 aus 3;
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5 eine
bruchstückartige
Querschnittsansicht eines für
die Herstellung der Düse
aus 3 nützlichen
Stöpsels;
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6 eine
bruchstückartige
Draufsicht der Abbildung aus 5;
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7 eine
bruchstückartige
Querschnittsansicht einer Schneideeinrichtung, die zur Gestaltung der
Schlitze in dem Stöpsel
aus 5 verwendet wird;
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die 8, 9 und 10 schematische Darstellungen
der verschiedenen Flügel;
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11 eine
schematische Darstellung einiger Eigenschaften des durch die Düse aus 3 erzeugten
Stroms; und
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12 eine
der Abbildung aus 6 ähnliche Ansicht, jedoch eines
anderen Flügels.
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Genaue Beschreibung
der Erfindung
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Die
gegenwärtig
bevorzugte Infusionsdüse 20 gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in der Abbildung aus 1 dargestellt.
Sie weist einen Körper 21 mit
einer Außenwand 22 und
einer Innenwand 23 auf. Befestigungsgewinde 24 können an
der Außenwand
vorgesehen sein.
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Die
Innenwand 23 bildet einen Strömungsdurchgang 25 mit
einer Einlassöffnung 26 und
einer Auslassöffnung 27.
Die Innenwand weist einen runden Querschnitt auf und erstreckt sich
entlang einer zentralen Achse 28 zwischen den beiden Öffnungen.
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Die
Innenwand 23 weist einen Einlassabschnitt 30 auf,
der sich von der Einlassöffnung
erstreckt. Sie ist im Wesentlichen zylindrisch, wobei sie sofern
gewünscht
auch eine sich leicht verjüngende Konizität aufweisen
kann. Sie weist ferner einen Verengungsabschnitt 31 auf,
der vorzugsweise kegelstumpfartig ist. Der Durchmesser verringert
sich im Verlauf weggehend von dem Einlassabschnitt. Der Einlassabschnitt
und der Verengungsabschnitt treffen an einer Verbindungsstelle 32 aufeinander,
die senkrecht zu der zentralen Achse steht. Der Verengungsabschnitt 31 erstreckt
sich zu dem Auslassabschnitt an dem kleineren Ende.
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Eine
Mehrzahl von Flügeln 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41 und 42 ist
symmetrisch um die Innenwand angeordnet. In dem veranschaulichten
Beispiel sind insgesamt acht Flügel
vorgesehen. Es können
jedoch auch mehr oder weniger Flügel
vorgesehen werden, wobei es den Anschein hat, als wären acht Flügel die
optimale Anzahl für
die beabsichtigten Ergebnisse. Alle Flügel sind identisch, so dass
nur der Flügel 37 detailliert
beschrieben wird.
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Die
Flügel
sind linear, wobei sie aber auch eine leichte Krümmung aufweisen können, wenn
dies gewünscht
ist. Die Düsen
werden allerdings für
gewöhnlich
unter Verwendung eines Formhohlraums geformt, so dass die Außenwand
und ein Stöpsel zur Gestaltung
der Innenwand gebildet werden, einschließlich der Flügel. Bei
der offenbarten Geometrie der Innenwand kann der Stöpsel axial
herausgezogen werden, ohne ihn zu drehen.
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Der
Flügel 37 steht
mit einem kleinen Richtungsänderungswinkel 43 schräg, der zwischen
etwa drei und 15 Grad liegt und für gewöhnlich vier Grad beträgt, und
zwar im Verhältnis
zu einer Eben, welche die zentrale Achse aufweist und auch durch
die Verbindungsstelle 32 tritt, wo eine Kreuzung mit dem Flügel gegeben
ist. Die Winkelanordnung ist zwar klein, jedoch verleiht sie einem äußeren Abschnitt des
Stroms jedoch eine ausreichende Drehkomponente für die Zwecke der vorliegenden
Erfindung.
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Der
Flügel
ist vorzugsweise mit einer Keilform ausgebildet, wie dies in der
Abbildung aus 4 dargestellt ist. Er weist
eine Ablenkfläche 44 auf,
die in Richtung des eintretenden Stroms ausgerichtet ist, und mit
einer Rückfläche 45,
die zu der Auslassöffnung
ausgerichtet ist. Für
den Formprozess ist es bequem, als Scheitel 46 des Flügels eine flache
Oberfläche
vorzusehen. Die Flächen
bzw. Seiten bilden vorzugsweise einen Flächenwinkel bzw. einen Raumwinkel 47 zwischen
vorzugsweise etwa 20 Grad und etwa 40 Grad, wobei der Winkel zwischen
etwa fünf
Grad und 40 Grad liegen kann. Dies wird durch die Entfernung des
Stöpsels
nach dem Formen der Vorrichtung weiter erleichtert.
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Die
Flügel
sind miteinander ausgerichtet. Jeder Flügel erstreckt sich teilweise
in den Einlassabschnitt und teilweise in den Verengungsabschnitt. Ihre
Enden 48 sind von der Auslassöffnung räumlich getrennt, und ihre Enden 49 sind
von der Einlassöffnung
räumlich
getrennt. Sie erstrecken sich über
die Verbindungsstelle 32. Ihre Scheitel erstrecken sich mit einem
Scheitelwinkel 50 (siehe 8) im Verhältnis zu
der zentralen Achse, so dass sie von dem Einlassabschnitt ansteigen
und in den Verengungsabschnitt ausstraken. Hiermit wird festgestellt,
dass die Flügel
die zentrale Achse nicht erreichen. Es ist nicht beabsichtigt, den
ganzen Strom zu drehen, sondern nur einen begrenzten äußeren Abschnitt
des Stroms.
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Wie
dies in der Abbildung aus 1 am besten
ersichtlich ist, existieren axiale Bereiche 51 des Stroms,
die auf keinen Flügel
treffen. Durch den Einsatz von mehr Flügeln oder auch durch die Verwendung
steilerer Flügel
oder durch Flügel,
welche sich dichter an die Achse annähern kann zwar eine höhere Okklusion
erreicht werden, wobei dies jedoch einem unnötigen Anstieg des Energieverlustes
aus dem Strom führen
kann. Die veranschaulichte Anordnung, die skaliert werden kann,
sieht einen ausreichenden Dreh- bzw. Rotationseffekt vor.
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Die
Konstruktion der Flügel
wird durch eine Untersuchung des Bearbeitungsstöpsels am besten verständlich,
der sie ausbildet, wenn sie geformt werden. Die Abbildung aus 5 zeigt
einen Stöpsel 60 mit
einer externen bzw. äußeren Oberfläche 61,
die einen Einlassabschnitt 30, einen konischen Abschnitt 62,
der den Verengungsabschnitt 31 bildet, und eine Schnittstelle 63,
die die Verbindungsstelle 32 bildet, bildet.
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Identische
Schlitze werden in den Stöpsel geschnitten,
wie dies in der Abbildung aus 6 dargestellt
ist. Sie werden durch ein Fräswerkzeug
erzeugt, dessen Schneide in der Abbildung aus 7 dargestellt
ist. Das Fräswerkzeug
weist Seitenflächen
und eine Endfläche
auf.
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Die
Abbildungen der 8, 9 und 10 zeigen
schematisch die Flügel 46, 71 und 72, die
durch das Schneiden bzw. Fräsen
von Schlitzen in verschiedenen Winkeln 50, 74, 75 gebildet
werden. Diese verändern
die Länge,
Höhe und
Auswanderung in die Wandabschnitte, wie dies dargestellt ist. Dies
ist eine praktische Möglichkeit,
um Flügel
für verschiedene
Durchmesser und Strömungsgeschwindigkeiten
vorzusehen. Der Winkel 75 beträgt ungefähr 15 Grad,
wobei er aber zwischen etwa fünf Grad
und 20 Grad variieren kann.
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Ein
Vorteil des Formverfahrens ist das Verkürzen des Ausmaßes, in
dem sich die Flügel
in den Einlassabschnitt erstrecken. Wie dies in der Abbildung aus 3 dargestellt
ist, weist der Scheitel des Flügels 35 an
dessen oberen Ende eine Krümmung 77 auf.
Dies ist optional.
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Die
Abbildung aus 12 zeigt einen Flügel 100,
der in allen Aspekten dem Flügel 37 aus 6 entspricht,
mit der Ausnahme, dass er nicht gerade ist sondern eine leichte
Krümmung
aufweist, um dem äußeren Abschnitt
des Stroms bei Bedarf eine zusätzliche
Verdrehung zu verleihen.
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Während die
tatsächliche
Dynamik der vorliegenden Infusionsdüse nicht vollständig klar
ist, so ist die folgende Beschreibung der dadurch vorgesehenen Ergebnisse
jedoch nützlich.
Die Abbildung aus 11 zeigt eine Infusionsdüse 80 oder ähnlich einer Düse 20,
die an der Wand eines 81 Tanks bzw. Speichers angebracht
ist, der Wasser 82 aufweist, das behandelt werden muss.
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Die
Abbildung aus 11 zeigt schematisch einen Strom 83 von
behandeltem Wasser, für
gewöhnlich
mit aufgelöstem
und nicht aufgelöstem
Behandlungsgas, das auf einer Tiefe 84 in das Wasser 82 injiziert
wird. Während
sich die Flügel
in der Düse befinden,
verleihen die Flügel
mindestens einem Teil einer peripheren Zone 85 des Behandlungswassers eine
Drehbewegungskomponente. Der zentrale Kern 86 weist diese
Komponente nicht auf, da er auf keinen Flügel trifft. Die Zone 85 ist
um den Kern 86 ausgebildet, nahezu wie eine zylindrische,
koaxiale Ummantelung.
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Der
Mischvorgang beginnt unmittelbar an der Schnittstelle 87 zwischen
der Zone 85 und dem Kern 86. Diese Dreh- und axiale
Mischbewegung dauert an, während
der Strom von der Düse
in den Tank verläuft.
In dem Tank erfolgt dies ebenfalls an der Schnittstelle 88 zwischen
dem unbehandelten Wasser in dem Tank und der Zone 85. Als
Folge dessen tritt eine erhöhte
Menge an gemischtem Wasser in einem sich stetig vergrößernden
Bereich 90 auf, wobei eine Erweiterung sowohl des unbehandelte Wassers
als auch in den Kern erfolgt.
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Aufschlussreich
sind Vergleiche der Ausgabeleistungen der Düsen, die identisch sind, mit
der Ausnahme, dass eine Düse
Flügel
aufweist und die andere nicht. Ohne Flügel existiert keine periphere Zone 87.
Es existiert eine gewisse Mischung um den axialen Strom, die jedoch
gering ausfällt,
und das Mischen beginnt erst, wenn sich der Strom deutlich in dem
Tank befindet. Wenn man seine Wand unter Wasser in der Nähe der Düse um den
Strom hält
und sie entlang dem Strom führt,
erkennt man, dass der Mischbereich um den Strom, der tatsächlich fühlbar ist,
verhältnismäßig weit
in dem Tank beginnt und nicht besonders kräftig ist. An die Oberfläche aufsteigende
Gasblasen können
unter Verwendung einer Infusionsdüse gemäß der vorliegenden Erfindung häufig beobachtet
werden, und bei einer Wiederholung dieser Handlung lässt sich
sehr nahe an der Auslassöffnung
der Beginn eines Bereichs einer starken Mischzone 90 feststellen.
Die periphere Zone 87 weist eine Grenzfläche 88 mit
dem umgebenden unbehandelten Wasser in dem Tank auf sowie eine weitere
Grenzfläche 87 mit
dem sich axial bewegenden Kern. Der Bereich 90 kann als
zu einem zunehmenden und erheblichen Durchmesser ausblühend wahrgenommen
werden, innerhalb dem Scherkräfte
an den Blasen an beiden Grenzflächen
zu deren schnellen Verschwinden führen, wenn sich deren Gas auflöst. An der
Oberfläche
fehlen Blasen deutlich erkennbar.
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Der
Bereich 90 ist aktiv und neigt dazu, nahe liegendes Wasser
und Teilchen anzuziehen. Aus diesem Grund ist der Strom verhältnismäßig wirksam, um
zum Beispiel den Boden des Tanks zu spülen.
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Eine
Anordnung von geeigneten Abmessungen für eine Düse gemäß der vorliegenden Erfindung lautet
wie folgt:
Konischer Öffnungswinkel
des Verengungsabschnitts: 40 Grad
Durchmesser des Einlassabschnitts:
1,6 Zoll (41 mm)
Winkel der Flügel im Verhältnis zu der Ebene durch die
Zentrale Achse: 4 Grad
Abstand zwischen der Auslassöffnung und
dem nächsten
Ende der Flügel:
0,25 Zoll (6,35 mm)
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Die
vorliegende Erfindung ist durch die in den Zeichnungen dargestellten
und in der Beschreibung beschriebenen Ausführungsbeispiele nicht beschränkt, die
lediglich als Beispiele dienen und keine einschränkende Wirkung besitzen, vielmehr
ist die Erfindung ausschließlich
durch den Umfang der anhängigen
Ansprüche
beschränkt.