DE8219571U1

DE8219571U1 - FASTENING ELEMENT ON MIRRORS FOR SOLAR REFLECTORS

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Publication number: DE8219571U1
Application number: DE19828219571U
Authority: DE
Original assignee: Flabeg GmbH and Co KG
Current assignee: Flabeg GmbH and Co KG
Priority date: 1982-07-08
Filing date: 1982-07-08
Publication date: 1982-11-11

Description

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Dipl.-lng. E. Tergau
Ing. grad. H. L. PohlDipl.-lng. E. Tergau
Ing. Grad. HL Pohl

PatentanwältePatent attorneys

Hefnersplats 3 - Postfsoh 9347
85OO Nürnberg 11 Hefnersplats 3 - Postfsoh 9347
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Flabeg GmbH,Flabeg GmbH,

Siemensstr. 3, 8510 FlirthSiemensstrasse 3, 8510 Flirth

Befestigungselement an Spiegeln für Solar-Reflektoren
15 Fastening element on mirrors for solar reflectors
15th

Die Erfindung betrifft Spiegel für Solar-Reflektoren mit rückseitig aufgeklebtem Befestigungselement für die Verbindung mit einem Halte- und/oder Nachführ-Gestange. The invention relates to mirrors for solar reflectors with fastening element glued on the back for connection to a holding and / or tracking rod.

Solar-Reflektoren gewinnen an Bedeutung. Sie werden in sonnenreichen Gegenden errichtet und konzentrieren die einfallenden Sonnenstrahlen mit Hilfe von Spiegeln auf einen Wärmeaustauscher, der meist auf einem Turm erhöht angebracht ist. Die Gesamt-Spiegelflache derartiger Reflektoren beträgt zur Zeit etwa 20 bis einige Tausend Quadratmeter, wobei die Reflektoren in Einzelspiegel unterteilt sind, deren Größe beispielsweise bei etwa einem Quadratmeter liegt. Die einzelnen Spiegel sind an Halte- und Nachführ-Gestängen befestigt, so daß es möglich ist, sie der wandernden Sonne entsprechend zu verstellen, so daß die reflektierten Sonnenstrahlen stets auf die gleiche Stelle, nämlich den erwähnten Wärmeaustauscher treffen. Im Wärmeaustauscher wird ein Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, Öl oder Natrium auf erhöhte Temperatur erwärmt, wobeiSolar reflectors are gaining in importance. You will be in built in sunny areas and concentrate the incident sun rays with the help of mirrors a heat exchanger, which is usually mounted elevated on a tower. The total mirror surface of such Reflectors is currently around 20 to a few thousand square meters, with the reflectors in individual mirrors are divided, the size of which is, for example, about one square meter. The single ones Mirrors are attached to holding and tracking rods, so that it is possible to adjust them according to the wandering sun, so that the reflected Sun rays always hit the same place, namely the heat exchanger mentioned. In the heat exchanger a working medium, for example water, oil or sodium, is heated to an elevated temperature, with

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-4--4-

Temperaturen zwischen 200 bis 800⁰C erzielt werden. In aller Regel wird das Arbeitsmedium durch einen weiteren Wärmetauscher geleitet, wo es die gespeicherte Wärme abgibt und überhitzten Dampf erzeugt, der zumTemperatures between 200 to 800 ⁰ C can be achieved. As a rule, the working medium is passed through another heat exchanger, where it releases the stored heat and generates superheated steam that is used for the

κ Betrieb einer Turbine dient.κ operation of a turbine is used.

Beim Bau und Betrieb der Solar-Reflektoren ergeben sich u.a. Probleme dadurch, daß die Spiegel im Verlaufe des Nacht-Tag-Wechsels erheblichen Temperatur-During the construction and operation of the solar reflectors problems arise from the fact that the mirrors show considerable temperature during the night-day change.

^q Schwankungen unterworfen sind. Die Spiegel haben zwar die Aufgabe, die einfallende Sonnenenergie möglichst vollständig zu reflektieren; es ist aber nicht vermeidbar, daß sich auch die Spiegel selbst aufheizen, beispielsweise durch die Umgebungstemperatur sowie die^ q are subject to fluctuations. The mirrors have the task of reflecting the incident solar energy as completely as possible; but it is unavoidable that the mirror itself heat up, for example due to the ambient temperature and the

,p- Sonnenenergie, welche vom Erdboden zurückgestrahlt wird. Die auf der Spiegelrückseite festgeklebten Befestigungselemente bestehen bei ausgeführten Anlagen
meist aus Stahl oder Leichtmetallegierungen. Da die Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Metalle einer-, p- solar energy which is reflected back from the earth. The fastening elements glued to the back of the mirror exist in the case of completed systems
mostly made of steel or light metal alloys. Since the coefficients of thermal expansion of these metals

2Q seits und des Spiegelglases andererseits sehr unterschiedlich sind, ergeben sich Spannungen, die von der Klebstoffschicht aufgefangen werden müssen, welche zwisehen der Spiegelrückseite und dem Befestigungselement angeordnet ist. Damit die Klebstoffschicht hierzu in der Lage ist, werden solche Klebstoffe eingesetzt, die auch im ausgehärteten Zustand weitgehend dehnungselastisch sind. Die Klebkraft dieser Klebstoffe ist jedoch verhältnismäßig gering, was zur Folge hat, daß andererseits wieder die Kontaktfläche der Befestigungs-2Q on the one hand and the mirror glass on the other hand very different there are tensions that have to be absorbed by the adhesive layer, which are between the mirror back and the fastening element is arranged. So that the adhesive layer is in is able to use adhesives that are largely elastic even in the cured state are. However, the bond strength of these adhesives is relatively low, with the result that on the other hand again the contact surface of the fastening

QQ elemente zur Klebstoffschicht erheblich größer gewählt werden muß. Trotz dieser Maßnahmen kommt es immer wieder zum Abreißen einiger Befestigungselemente, was sofortige Reparaturen erforderlich macht. QQ elements must be chosen to be considerably larger than the adhesive layer. Despite these measures, some fasteners are torn off again and again, which requires immediate repairs.

og Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Spiegel für Solai—Reflektoren mit rückwärtig aufgeklebten Befestigungselementen derart zu verbessern,og The invention is based on the object of the known Mirrors for Solai reflectors with glued on the back To improve fasteners in such a way that

13 III]13 III]

daß Abreißerscheinungen vermieden und der Materialaufwand gleichzeitig verringert wird.that tear-off phenomena are avoided and the cost of materials is reduced at the same time.

Zur Lösung diesen Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Befestigungselemente aus keramischem Werkstoff bestehen, deren linearer Ausdehnungskoeffizient 0^₆₀Q 1*"¹⁰ To solve this problem, it is proposed that the fastening elements consist of ceramic material whose linear expansion coefficient is 0 ^ ₆₀ Q 1 * " ¹⁰

₆₀Q ₆₀ Q

bis 1<f*10~⁶ K~¹, vorzugsweise 4"10"⁶ bis 12'10~⁶ K~¹ beträgt. Als bevorzugte Ausführungsform derartiger Werkstoffe werden keramische Werkstoffe mit Glasphase, insbesondere Steatit-Keramik oder Hartporzellan genannt oder Aluminiumoxid-Keramik mit und ohne Giasphase mit einem Gehalt von 50 bis 100 % Al₂O₃.to 1 <f * 10 ~ ⁶ K ~ ¹ , preferably 4 "10" ⁶ to 12'10 ~ ⁶ K ~ ¹ . Ceramic materials with a glass phase, in particular steatite ceramic or hard porcelain, or aluminum oxide ceramic with and without a glass phase with a content of 50 to 100% Al ₂ O ₃ are mentioned as a preferred embodiment of such materials.

Messungen haben ergeben, daß der durchschnittliche Iineare Wärmeausdehnungskoeffizient von Spiegelglas 8,5 . 10~⁶ K~¹ beträgt. Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminium beträgt demgegenüber
23 . 10~⁶ K~¹ und derjenige von rostfreiem Chromnickelstahl 16 . 10~⁶ K~¹ . Bei der üblichen Herstellung der Verbindungselemente aus Aluminium, Aluminiumlegierungen oder Chromnickelstählen sind die auf Wärmedehnung zurückzuführenden Spannungen zwischen den genannten Teilen vom Klebstoff aufzufangen, was zu den einleitend bereits erwähnten Schwierigkeiten führt. Es wurde festgestellt, daß diese Schwierigkeiten durch die Auswahl der angegebenen Werkstoffe überwunden werden konnte, obgleich auch deren linearer Wärmeausdehnungskoeffizient nicht völlig mit denen des Spiegelglases übereinstimmt. Measurements have shown that the average linear coefficient of thermal expansion of mirror glass is 8.5. 10 ~ ⁶ K ~ ¹ . In contrast, the linear thermal expansion coefficient of aluminum is
23 10 ~ ⁶ K ~ ¹ and that of stainless chromium-nickel steel 16. 10 ~ ⁶ K ~ ¹ . In the usual production of connecting elements from aluminum, aluminum alloys or chromium-nickel steels, the stresses between the named parts due to thermal expansion have to be absorbed by the adhesive, which leads to the difficulties already mentioned in the introduction. It was found that these difficulties could be overcome by the selection of the specified materials, although their coefficient of linear thermal expansion also does not completely correspond to that of the mirror glass.

Die erwähnten guten Eigenschaften keramischer Werkstoffe, insbesondere der Werkstoffe mit Glasphase in Bezug auf das Wärmeausdehnungsverhalten sind gekoppelt mit sehr guten Korrosionseigenschaften, die denen der metallischen Werkstoffe weit überlegen sind. Auch dies spielt eine erhebliche Rolle bei der Herstellung von Befestigungselementen für Spiegel, da diese Elemente während ihrer gesamten Lebensdauer der freien Atmosphä-The mentioned good properties of ceramic materials, in particular the materials with a glass phase with regard to the thermal expansion behavior are coupled with very good corrosion properties similar to those of metallic Materials are far superior. Again, this plays a significant role in the manufacture of Fastening elements for mirrors, as these elements are exposed to the open atmosphere during their entire lifespan.

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re ausgesetzt sind. Im Laufe des Nacht-Tag-Rythmusses werden die Elemente nicht nur auf unterschiedliche Temperaturen erwärmt, sondern sie werden auch mit wasserhaltigen Kondensaten überzogen, was bei metallisehen Befestigungselementen auch dann zu Korrosionen, nämlich Spaltkorrosionen führen kann, wenn es sich um rostbeständige Chrom-Nickel-Stähle handelt. Hinzu kommt, daß weitere Untersuchungen gezeigt haben, daß auch die Festigkeitseigenschaften und zwar sowohl die jQ Druck- wie auch die Zugfestipkeiten der genannten keramischen Werkstoffe völlig ausreichen, um die Gewichte der hier in Betracht kommenden Spiegel mit Sicherheit aufzunehmen.re exposed. In the course of the night-day rhythm, the elements are not just different Temperatures are heated, but they are also covered with water-containing condensates, which is seen in the case of metal Fastening elements can also lead to corrosion, namely crevice corrosion, if it is rust-resistant chrome-nickel steels. In addition, further research has shown that also the strength properties, both the jQ Compression and tensile strengths of the ceramics mentioned Materials are completely sufficient to withstand the weights of the mirrors in question here with certainty to record.

Unter den bevorzugt einzusetzenden keramischen Werkstoffen mit Glasphase werden wiederum die Steatit-Keramik und das Hartporzellan hervorgehoben.
Keramische Werkstoffe mit Glasphase sind an sich bekannt. Sie sind beispielsweise in dem Buch von SaI-mang/Scholze "Die physikalischen und chemischen Grundlagen der Keramik", 5. Aufl., 1968, Seite 278 ff beschrieben. Es handelt sich um inhomogen aufgebaute keramische Werkstoffe, bei denen kristallisierte Bestandteile, wie beispielsweise Quarz, Tonerde, Protoenstatit und ähnliche Gefügebestandteile neben nichtkristallisierten, also glasigen Stoffen vorhandenAmong the ceramic materials with a glass phase that are preferred to be used, steatite ceramics and hard-paste porcelain are again emphasized.
Ceramic materials with a glass phase are known per se. They are described, for example, in the book by SaI-mang / Scholze "The physical and chemical foundations of ceramics", 5th edition, 1968, page 278 ff. These are inhomogeneously structured ceramic materials in which crystallized components such as quartz, alumina, protoenstatite and similar structural components are present in addition to non-crystallized, i.e. glassy substances

' sind. Die kristallisierten Bestandteile sind dabei in aller Regel als offene, also nicht zusammenhängende Phase in die glasige geschlossene, also zusammenhän— gende Phase eingebettet. Der erwähnte Aufbau bringt es mit sich, daß diese Stoffe bei erheblich gesteigerter Festigkeit ein thermisches Ausdehnungsverhalten zeigen, das dem des Glases weitgehend, wenn auch "nicht völlig entspricht. Die Angleichung der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten beider Werkstoffgruppen ist jedenfalls hinreichend, um auch bei Verwendung von' are. The crystallized components are in usually as an open, i.e. non-contiguous phase into the glassy, closed, i.e. contiguous- embedding phase. The aforementioned structure means that these substances are significantly increased Strength show a thermal expansion behavior that largely resembles that of glass, if not " fully corresponds. The approximation of the linear thermal expansion coefficient of both material groups is sufficient in any case, even when using

-τstark aushärtenden Klebstoffen zu dauerhaften Kebever bindungen zu führen.-τhighly curing adhesives to permanent Kebever to lead bonds.

Table 1

r 20 —fi —1 Werkstoff OC 600 ^{in 10} r 20 —fi —1 material OC 600 ^{in 10}

Quarzporzellan |Quartz porcelain |

Tonerdeporzellan 4 ... 5 ^riAlumina porcelain 4 ... 5 ^r i

Steatit 8 9Steatite 8 9

Forsterit
Cordierit (dicht)
Werkst, mit 50-80% A1_?O_
80-90% Al^OgForsterite
Cordierite (dense)
Werkst, with 50-80% A1 _? O_
80-90% Al ^ Og

4 ..4 .. » 6»6 4 ..4 .. . 5. 5 8 ..8th .. . 9. 9 10 .10. . 11. 11th 2 ..2 .. . 3. 3 6 . .6th . . 8. 8th 7 ..7 .. . 8. 8th 7 . .7th . . 8. 8th 11 .11th . 13. 13th

Aluminiurnoxid-Keramik mit
mehr als 99% Al O₃ Alumina ceramic with
more than 99% Al O ₃

Zirkonoxid-KeramikZirconium oxide ceramic

■'t 15 ■ 't 15

f Zur Herstellung der vorgeschlagenen Befestigungselemen- $ te dient vorzugsweise Steatit-Keramik, meist auch einfach "Steatit" genannt. Bei dem Mineral gleichen Namens "Steatit" handelt es sich um den sogenannten |f To produce the proposed fastening elements- $ te is preferably used for steatite ceramics, usually also simple Called "steatite". The mineral of the same name "steatite" is the so-called |

Speckstein, eine dichte und sehr feinkristalline Form | des Talkes mit 'der Zusammensetzung 3MgO ' 4SiO„ ' HpO. | In der Keramik versteht man jedoch unter der Bezeichnung "Steatit" Werkstoffe, die Speckstein als hauptsächliche Massekomponente enthalten oder deren Scherben analog aufgebaut ist, wenn man von anderen Rohstoffen ausgeht. Um Mißverständnisse zu vermeiden, wird im vorliegenden Zusammenhang von Steatit-Keramik gesprochen. ISoapstone, a dense and very finely crystalline form | of talc with 'the composition 3MgO' 4SiO "'HpO. | In ceramics, however, the term "steatite" means materials that are mainly soapstone Contain mass components or whose fragments are structured in the same way if one of other raw materials goes out. In order to avoid misunderstandings, the term steatite ceramic is used in the present context. I.

^O Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten | Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar: ^ O The invention is explained below with reference to the attached | Drawing explained in more detail. They represent:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einers Solar-Reflektors von der Rückseite aus gesehen.Fig. 1 is a perspective view of a solar reflector seen from the rear.

Fig. 2 ein schematischer Querschnitt durch den Aufbau 352 shows a schematic cross section through the structure 35

eines Spiegels mit rückseitig aufgeklebtem Be- ;.a mirror with adhesive stuck on the back;

festigungselement. Sfastening element. S.

111 I I I I111 I I I I

Der in Kig. 1 dargestellte Solar-Ref lektor ist als Ganzes mit 1 bezeichnet. Er besteht aus mehreren, im dargestellter! Beispiel sechzehn Einzelspiegeln 2, welehe jeweils eine Größe von etwa einem Quadratmeter haben und welche mit Hilfe eines Gestänges 3 am Ständer 4 einer Nachführvorrichtung befestigt sind. Die Nachführvorrichtung wird im allgemeinen mit Hilfe von Mikroprozessoren gesteuert, welche die Position .- der Spiegel in sehr kurzen Abständen (beispielsweise je Sekunde einmal) neu berechnen und die Spiegel dann mit Hilfe von nicht dargestellten Stellmotoren gegebenenfalls nachstellen.The one in Kig. 1 illustrated solar reflector is as The whole is designated with 1. It consists of several, in the one shown! Example sixteen individual mirrors 2, welehe each have a size of about one square meter and which with the help of a rod 3 am Stand 4 of a tracking device are attached. The tracking device is generally with the help controlled by microprocessors, which the position .- the mirror at very short intervals (for example once per second) and then recalculate the mirrors with the aid of servomotors (not shown) if necessary readjust.

_K Das Gestänge 3 ist je Spiegel im allgemeinen mit vier Befestigungselementen 5 verbunden, beispielsweise verschraubt. Die Befestigungselemente selbst sind runde oder auch rechteckig geformte Scheiben, deren Dicke je nach Ausführungsart zwischen einigen Millimetern bis _K The linkage 3 is generally connected to four fastening elements 5 for each mirror, for example screwed. The fastening elements themselves are round or rectangular disks, the thickness of which is between a few millimeters and depending on the design

2Q wenigen Zentimetern beträgt. Die Befestigungselemente sind mit Hilfe von Klebstoffen auf der Spiegelrückseite festgeklebt. Diese Spiegelrückseite ist im allgemeinen lackiert, falls es sich nicht um Spiegelformen handelt, bei denen die Rückseite ebenfalls aus Glas2Q is a few centimeters. The fasteners are glued to the back of the mirror with the help of adhesives. This mirror back is in general lacquered, if it is not a mirror shape, the back of which is also made of glass

„-. besteht."-. consists.

In Fig. 2 ist eine derartige Klebeverbindung im Querschnitt dargestellt. Der Spiegel 2 ist auf der Rückseite mit einer Spiegelschicht 6, meist einer Sandwich-In Fig. 2 such an adhesive connection is shown in cross section. The mirror 2 is on the back with a mirror layer 6, usually a sandwich

gg Schicht aus Silber und Kupfer belegt. Die Spiegelschicht 6 ist auf ihrer Rückseite mit einer Schutzlackschicht 7 abgedeckt, welche meist ebenfalls aus mehreren unterschiedlich zusammengesetzten Schichten besteht. Auf der äußeren Schutzlackschicht ist alsdanngg layer of silver and copper covered. The mirror layer 6 is covered on its back with a protective lacquer layer 7, which usually also consists of several consists of differently composed layers. Then is on the outer protective lacquer layer

„c eine Klebstoffschicht angeordnet, die mit ihrer Rückseite am Befestigungselement 5 haftet."C an adhesive layer arranged with its back adheres to the fastening element 5.

Das Befestigungselement 5 soll erfindungsgemäß aus einem keramischen Werkstoff mit Glasphase, vorzugsweise aus Steatit-Keramik oder Hartporzellan bestehen. In Ausnutzung der dadurch bedingten Vorteile wird vorgeschlagen, daß zwischen der Rückseite des Spiegels 2 und dem Befestigungselement 5 eine Schicht 8 aus einem unelastisch aushärtendem Kunststoff angeordnet ist. Klebstoffe dieser Art sind beispielsweise Zweikomponentenkleber auf Epoxidbasis oder ähnliche bekannte Stof^fe· According to the invention, the fastening element 5 should consist of a ceramic material with a glass phase, preferably of steatite ceramic or hard porcelain. In making use of the advantages resulting from this, it is proposed that a layer 8 made of an inelastic hardening plastic be arranged between the rear side of the mirror 2 and the fastening element 5. Adhesives of this type are ^fe example, two-component epoxy-based adhesive or similar known Stof ·

Des weiteren wird vorgeschlagen, daß in dem Befestigungselement 5 eine wenigstens einseitig offene Durchbrechung 9 zum Einsetzen einer Schraube angeordnetIt is also proposed that in the fastening element 5 an opening which is open at least on one side 9 arranged for the insertion of a screw

ic ist. Bei dieser Durchbrechung kanr es sich um eine bei der Herstellung eingeformte Gewindebohrung handeln, in welche die Schrauben von rückwärts eingeschraubt wird. Es kann sich aber auch um ein durchgehendes Loch handeln, das vorzugsweise zur Klebeseite hin erweitert ist und in welches dann die Schrauben eingesetzt werden können, wobei die Locherweiterung den Schraubenkopf aufnimmt. Durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß die Bruchfestigkeit der erwähnten keramischen Werkstoffe völlig ausreicht, um die hier auftretenden, nicht unerheblichen Kräfte aufzufangen.ic is. This breakthrough can be one act during manufacture molded threaded hole, into which the screws are screwed from the rear. However, it can also be a continuous hole, which preferably widens towards the adhesive side and in which the screws are then inserted can, whereby the hole expansion accommodates the screw head. Tests carried out have shown that the breaking strength of the ceramic materials mentioned is completely sufficient to prevent the to absorb not inconsiderable forces.

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Dipl.-lng. E. TergauDipl.-lng. E. Tergau

Ing. grad. H.L. Pohl 2/13 (81559)Ing.grad. H.L. Pohl 2/13 (81559)

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Hefnersplatz 3 - Postfaoh 9347 Flabeg GmbHHefnersplatz 3 - Postfaoh 9347 Flabeg GmbH

8QOO Nürnberg H8QOO Nuremberg H

PositionszahlenlisteItem number list

1 Solar-Reflektor1 solar reflector

2 Spiegel2 mirrors

3 Gestänge3 rods

4 Ständer4 stands

5 Befestigungselement5 fastener

6 Spiegelschicht6 mirror layer

7 Schutzlackschicht a Klebstoffschicht 9 Durchbrechung7 protective lacquer layer a adhesive layer 9 opening

Claims

Flabeg GmbH Siemensstr. 3, 8510 Fiirth -1- Dipi.-Ing. E. Tergau Ing. Grad. H. L · Pohl Patent Attorneys Hefnersplatz 3 - Postfaoh 9347 ssoo Nuremberg 11 Claims 15

1. Mirror for solar reflectors with glued on the back Fastening element (5) for connection to a holding or tracking rod, characterized in that the fastening element (5) is made of ceramic

Material whose coefficient of linear expansion is Q ^ 6§8 1. 10 ~ ⁶ to 15. 10 ~ ⁶ K ~ ¹ , preferably 4. 10 ~ ⁶ to 12. 10 ~ ⁶ K ~ ¹ .

2525th

2. Mirror according to claim 1,

characterized,

that the fastening element (5) consists of a ceramic Material with a glass phase consists.

30th

3. Mirror according to claim 2,

characterized,

that the fastening element (5) consists of steatite ceramic (so-called steatite).

35

-2-

4. Mirror according to claim 2,

characterized,

that the fastening element (5) consists of hard porcelain.

5. mirror according to claim 1,

characterized,

that the fastening element (5) consists of aluminum oxide ceramic with 50-100 % Al ₂ O ₃ .

6 »mirror according to claim 1 or one of claims 2-5,

characterized,

that between the back of the mirror (2) and the fastening element (5) a layer (8) of one practically inelastic curing adhesive is arranged.