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Die Erfindung betrifft einen hydraulischen oder pneumatischen Antrieb zur Betätigung des beweglichen Schaltkontaktes eines Mittel- und/oder Hochspannungs-Leistungsschalters, mit einem Fluidspeicher, aus dem unter Druck stehendes Fluid einen mit dem beweglichen Schaltkontakt gekoppelten Antriebskolben mindestens zu einer Ein- und Ausschaltung zuführbar ist.
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Antriebe der eingangs genannten Art haben die Aufgabe, die für das Ein- und Ausschalten des Schalters notwendige Energie bereitzustellen und diese Energie im Falle einer Schalthandlung in die für die Trennung bzw. Verbindung der Schaltkontakte notwendige mechanische Bewegung umzuformen sowie ggf. die für die Lichtbogenlöschung beim Ausschalten benötigte Engeriemenge zu liefern.
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In den meisten Fällen muß die im Energiespeicher des Leistungsschalterantriebes gespeicherte Energie für mehrere Einschaltungen und Ausschaltungen ausreichen, ohne daß zwischenzeitlich eine Wiederaufladung des Engeriespeichers erfolgen darf. Während eines solchen Schaltzyklus, der aus mehreren Ein- und Ausschaltungen in bestimmter vorgeschriebener Reihenfolge besteht, muß die Schaltkontaktgeschwindigkeit innerhalb eines vorgegebenen Bereiches bleiben. In den heute üblichen Schalterantrieben wird dieses dadurch erreicht, daß die Antriebskraft während des Schaltzyklus in erster Näherung konstant bleibt bzw. nur gering abfällt. Am Ende des Schaltzyklus ist die vom Antrieb gelieferte Antriebskraft gerade auf den erforderlichen Mindestwert gesunken. Die am Ende des Schaltzyklus noch im Energiespeicher vorhandene Energie kann nicht weiter genutzt werden, weil dann bei einer weiteren Schalthandlung die Antriebskraft unter den erforderlichen Mindestwert sinken würde und der Schalter seine Aufgabe nicht mehr zuverlässig erfüllen könnte. Mit anderen Worten: Bei den heute üblichen Leistungsschalterantrieben ist die im Energiespeicher gespeicherte Antriebsenergie erheblich größer als die während des Schaltzyklus tatsächlich benötigte Engerie, weswegen die Baugröße und die Kosten heutiger Leistungsschalterantriebe auch durch diese Überdimensionierung festgelegt sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Antrieb der eingangs genannten Art zu schaffen, der gegenüber den bekannten Antrieben verbilligt ist, eine geringere Baugröße aufweist und bei dem die gespeicherte und die abgegebene Energie den erforderlichen Schaltzyklen optimal angepaßt ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Fluidspeichereinrichtung der Anzahl der erforderlichen Schalthandlungen (z.B. Aus-, Ein,- Aus-Schaltzyklus) entsprechende, jeweils für sich wirkende voneinander getrennte Speicherräume aufweist, deren Energieinhalt jeweils so bemessen ist, daß er für die jeweils erforderliche Schalthandlung ausreicht.
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Erfindungsgemäß wird also die Antriebsenergie unterteilt in mehrere "Energieportionen", so daß die für mehrere Schalthandlungen benötigte Energie aus mehreren Speicherräumen, d.h. Energiespeichern stammt. Dabei wird pro Schalthandlung, d.h. also pro Ein- bzw. Ausschaltung, jeweils ein Speicherraum entleert, wodurch eine erheblich bessere Anpassung des gelieferten Kraftverlaufes an den geforderten Kraftbedarf und letztlich auch eine genauere Anpassung des Energieinhaltes des gesamten Antriebspeichers an den Energiebedarf möglich ist. Dadurch wird das Volumen des Gesamtenergiespeichers verringert, insbesondere deshalb, weil schlußendlich bei Ablauf des vollständigen Schaltzyklus praktisch die gesamte, in der Fluidspeichereinrichtung vorhandene Energie ausgenutzt werden kann. Eine so große, nicht nutzbare Restenergie, wie sie bei den bekannten Antrieben nach einem Schaltzyklus noch vorhanden ist, ist bei dem erfindungsgemäßen Antrieb nicht mehr in der Fluidspeichereinrichtung enthalten.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Antriebes ist folgender:
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Wie eingangs ausgeführt, ist die Antriebskraft bei den bekannten Schalterantrieben in erster Näherung angenähert konstant, damit in jedem Fall auch am Ende des Schaltzyklus die vom Antrieb gelieferte Antriebskraft für eine erforderliche Ausschaltung noch ausreicht. Moderne Leistungsschalter, insbesondere Blaskolbenschalter oder Selbstblas-Leistungsschalter benötigen aber keineswegs eine konstante Antriebskraft, sondern eine stetig abfallende Kraft. Wird ein Fluidspeicher nur auf die für eine Schalthandlung, d.h. eine Ein- oder Ausschalthandlung benötigte Energie hin dimensioniert, so ergibt sich fast automatisch ein den Anforderungen entsprechender Kraftverlauf. Die in den einzelnen Speicherräumen für eine einzige Schalthandlung gespeicherte Energie entspricht damit in etwa der vom Schalter für diese Schalthandlung benötigte Energie. Die für einen Schaltzyklus und damit für mehrere Schalthandlungen benötigte Energie ist damit bedeutend geringer als die Gesamtenergie der bei den heutigen Leistungsschalterantrieben üblichen Energiespeicher.
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Aus der DE-OS 26 41 885 ist zwar bekannt, für je eine Ausschaltung bzw. eine Einschaltung jeweils einen eigenen Speicher vorzusehen. Es handelt sich aber dort um einen mechanischen Federantrieb, bei dem beispielsweise für einen Aus-Ein-Aus-Schaltzyklus jeweils eine Einschaltfeder und zwei Ausschaltfedern vorgesehen sind, wobei die Zuordnung so gewählt ist, daß während einer Schalthandlung jede Ausschaltfeder ihre Energie auch wieder an die Einschaltfeder zu deren Aufladung abgibt. Es liegt also im Unterschied zu dem erfindungsgemäßen Antrieb keine eigentliche Aufspaltung der Energien für eine Einschaltung und eine Ausschaltung in zwei getrennte Speicher vor. Stattdessen ist die gesamte für Ein- und Ausschaltung benötigte Energie in einem einzigen Speicher, hier der Ausschaltfeder, gespeichert. Im allgemeinen sind solche mechanischen Antriebe nicht optimal geeignet und darüberhinaus ist auch wegen der Erforderlichkeit der Aufladung der Einschaltfeder bei der Durchführung einer Ausschalthandlung eine Überdimensionierung zumindest der Ausschaltfeder sehr wohl erforderlich und außerdem ist das Aufladen eines Federspeichers sehr kompliziert. Sollen mehrere Aus-Ein-Aus-Schaltzyklen durchgeführt werden, wie es beispielsweise Vorschriften in den USA fordern, dann wird der erforderliche Energiespeicher zu kompliziert, zu teuer und in seiner Baugröße zu groß und darüberhinaus sind elektronische Steuerungen, wie sie bei Hydraulik- oder Pneumatikantrieben zur Betätigung von Ventilen möglich sind, nicht benutzbar.
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In vorteilhafter Weise kann jeder Speicherraum entweder als Membran- oder als Kolben-Federspeicher oder aber als Membran-Federspeicher ausgebildet sein.
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Eine den Antrieb besonders verbilligende Maßnahme wird darin liegen, daß die Speicherräume in einem einzigen Gehäuseblock untergebracht sind.
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Dabei können zur weiteren Vereinfachung und zwecks weiterer Verringerung der Kosten zusätzlich zu den Speicherräumen die Kolben-Zylinderanordnung zur Betätigung des beweglichen Schaltkontaktes und zusätzlich ein Niederdruckbehälter zur Aufnahme des bei jeder Schalthandlung verbrauchten Fluids innerhalb dieses Gehäuseblocks untergebracht sein.
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In zweckmäßiger Weise kann der Gehäuseblock, der vorzugsweise als Gußblock ausgebildet ist, ein Gehäuseunterteil und ein Gehäuseoberteil aufweisen, wobei das Gehäuseunterteil von der zu dem Gehäuseoberteil hinweisenden Fläche ausgehende Höhlungen aufweist, welche mindestens Teilräume der Speicherräume, den Niederdruck- Sammelraum und den Zylinderraum der Kolben-Zylinderanordnung bilden. Gegebenenfalls kann es auch vorteilhaft sein, weitere Teilungen des Gehäuseblocks vorzunehmen.
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Dabei kann der Druckfluidraum jedes einen Membranspeicher bildenden Speicherraum durch die Ausnehmungen im Gehäuseunterteil und der Gasraum durch im Gehäuseoberteil vorgesehene Ausnehmungen gebildet sein, wobei zwischen den Höhlungen und den Ausnehmungen an der Trennfläche zwischen dem Gehäuseunterteil und dem Gehäuseoberteil die Membran eingespannt ist.
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Die Überprüfung, ob die einzelnen Speicher aufgeladen sind oder nicht, geschieht beispielsweise wie folgt: Die Ausnehmungen zur Aufnahme des Speichergases für die Membranspeicher sind so tief gewählt, daß zwischen der benachbarten Außenfläche des Gehäuseoberteils und der Bodenfläche der Ausnehmungen je ein Wandbereich verbleibt, der so dünnwandig ist, daß beim Aufladen mit Druckfluid und dem dadurch bewirkten Komprimieren des Speichergases sich dieser Wandbereich meßbar elastisch verformt. Hier macht sich die Erfindung also zunutze, daß sich beim Aufladen der einzelnen Energiespeicher bestimmte Wandteile des Gehäuseblockes, deren Dicke entsprechend bemessen sein muß, sich aufgrund des Innendruckes verformen, was beispielsweise mittels der Dehnungsmeßstreifen erfaßt werden kann. Dieses Meßprinzip kann in gleicher Weise Anwendung finden, wenn die Speicher als Kolben-Federspeicher oder als Membran-Federspeicher ausgeführt sind.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß es möglich ist, in den Gehäuseblock zusätzlich Steuerventile, eine Fluidpumpe und einen Antriebsmotor für die Fluidpumpe zu integrieren bzw. anzuflanschen.
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Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sir'd, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen und weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.
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Es zeigt
- Figur 1 eine schematische Schaltungsanordnung für einen erfindungsgemäßen Antrieb gemäß einer ersten Ausführung,
- Figur 2 eine Schaltungsanordnung ähnlich der der Figur 1, für eine zweite Ausführungsform,
- Figur 3 eine Schaltungsanordnung ähnlich der der Figuren 1 und 2, für eine dritte Ausführungsform,
- Figur 4 eine scheamtische Darstellung für einen erfindungsgemäßen Antrieb,
- Figur 5 eine perspektivische Darstellung des Antriebes gemäß Figur 4,
- Figur 6 eine vergrößerte Teilschnittansicht eines Antriebes gemäß Figur 4,
- Figur 7 und 8 Teilschnittansichten ähnlich der der Figur 6, in zwei unterschiedlichen Schaltstellungen.
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Ein in einem Leitungszug 10 liegender elektrischer Hochspannungs-Leistungsschalter 11, der hier nur schematisch mit dem Schaltersymbol dargestellt ist, wird von einer Kolben-Zylinderanordnung 12 angetrieben, wobei der innerhalb des Zylinders 13 befindliche Kolben 14 mit seiner Kolbenstange 15 mit dem beweglichen Schaltkontakt 16 des Schalters 11 gekuppelt ist. Es handelt sich bei dem Kolben 14 um einen Differentialkolben, wobei die Kolbenfläche 17 oberhalb des Kolbens wegen der daran anschließenden Kolbenstange 15 kleiner ist als die Kolbenfläche 18 des Raumes 41 unterhalb des Kolbens.
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Der mit der Bezugsziffer 19 bezeichnete Raum oberhalb des Kolbens ist über eine Verbindungsleitung 20 mit einem ersten Energiespeicher 21, einem zweiten Energiespeicher 22 und einem dritten Energiespeicher 23 verbunden. Dabei verzweigt sich die Leitung 20 in mehrere Teilleitungen 24, 25, 26 und 27, die jeweils über ein Ventil 28, 29 und 30 mit den Energiespeichern 21 bis 23 verbunden sind.
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An die Ventile 28 bis 30 schließen sich Abzweigleitungen 31, 32 und 33 an, die in einer Druckleitung 34 münden, die am Ausgang 35 einer Fluidpumpe 36 angeschlossen ist. Der Eingang 37 der Pumpe 36 ist über eine Rückleitung 38 mit einem Niederdruckbehälter 39 verbunden, welcher Niederdruckbehälter 39 über ein Ventil 40 mit dem Raum 41 unterhalb des Kolbens 14 und der Teilleitung 20a verbunden ist.
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Die drei Energiespeicher 21, 22 und 23 sind sog. Federenergiespeicher, bei denen ein Kolben 42 in einem Zylinderraum 43 angeordnet ist; auf der oberen Seite des Kolbens 42, dem Raum 44, befindet sich das Fluid und in dem gegenüberliegenden Raum 45 ist eine Feder 46 untergebracht, die als Energiespeicherfeder dient und die Fluid aus dem Raum 44 an die Kolben-Zylinderanordnung 12 abgibt.
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Das Schaltgerät 10 ist in einer Ausschaltstellung. Wenn der Kolben 14 an dem oberen Ende der Kolben-Zylinderanordnung sitzt, dann befindet sich der Schalter in der sog. Einschaltstellung. Diese Einschaltstellung wird dadurch bewirkt, daß über die Leitung 24 den beiden Räumen oberhalb und unterhalb des Kolbens 14, 19 bzw. 41, jeweils Druckfluid zugeführt wird. Aufgrund der Form des Kolbens, der als Differentialkolben ausgebildet ist, befindet sich der Kolben in der Einschaltstellung. Zum Ausschalten wird lediglich das Ventil 40 so umgesteuert, daß der Raum 41 plötzlich mit dem Niederdruckraum 39 verbunden wird. Dadurch erhält das Druckfluid aus dem Raume 44 über die Leitungen 24 und 20 in den Raum 19 das Übergewicht und drückt den Kolben 14 in die Ausschaltstellung. Wenn wieder eingeschaltet werden soll, dann wird das Ventil 29 für den Speicher 22 umgesteuert, so daß über die Teilleitung 26, 25, 20 und 20a und das Ventil 40 dem Raum 41 Druckfluid zugeführt wird, wodurch der Differentialkolben wieder in Einschaltstellung gelangt. Damit eine letzte Ausschalthandlung vorgenommen werden kann, wird der Druckraum des Energiespeicher 23 über das Ventil 30, die Leitung 27, 25 und 20 mit dem Raum oberhalb des Kolbens verbunden und zur Einleitung der Ausschalthandlung das Ventil 40 wieder so umgesteuert, daß der Raum 41 unterhalb des Kolbens 14 mit dem Niederdruckbehälter in Verbindung gelangt. Damit ist der Schaltzyklus Aus-Ein-Aus (O-C-O) beendet und zum Wiederinbetriebsetzen, d.h. also zum Vorbereiten des Wiedereinschaltens des Schaltgerätes 11 müssen die Druckräume 44 der drei Energiespeicher 21 bis 23 wieder unter Druck gesetzt werden.
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Die Ausgestaltung gemäß Figur 2 entspricht praktisch identisch der Ausgestaltung gemäß Figur 1; lediglich die Energiespeicher 21 bis 23 sind als Gas-Membranspeicher 50, 51 und 52 ausgebildet. In der Ausgestaltung gemäß Figur 3 sind im Unterschied zu den Ausgestaltungen gemäß Figur 1 und Figur 2 die Energiespeicher 21 bis 23 als Membran-Federspeicher 50a, 51a und 52a ausgebildet.
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Bei der Ausgestaltung der Speicher als Kolben-Federspeicher oder als Membran-Federspeicher kann die Feder beispielsweise als Schraubenfeder oder als Tellerfeder ausgeführt sein.
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Die Ausbildung der Energiespeicher als Gas-Membranspeicher oder als Membran-Federspeicher hat folgenden wesentlichen Vorteil:
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Es sei nun Bezug genommen auf die Figur 4.
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Die ganze Einheit, die in den Figuren 1, 2 und 3 als hydraulische oder pneumatische, kurz fluidische Schaltung dargestellt ist, ist in einen Antriebsgehäuseblock 53 eingebracht. Dieser Antriebsgehäuseblock 53 ist im wesentlichen gebildet aus einem Gehäuseunterteil 54 und einem deckelartig ausgebildeten Gehäuseoberteil 55. Im Gehäuseunterteil sind mehrere Vertiefungen vorgesehen. Eine Vertiefung 56 ist Teil eines Membranspeichers, beispielsweise Teil des Membranspeichers 50. Eine weitere Vertiefung 57 ist der Niederdruckbehälter 39 und eine weitere Vertiefung 58 dient als Kolben-Zylinderanordnung 12 mit dem Raum unterhalb des Kolbens 41, dem Kolben 14, dem Raum oberhalb des Kolbens 19, der mittels einer Abdeckplatte 59 verschlossen ist und von der Kolbenstange 15 des Kolbens 14 durchgriffen ist. Das Gehäuseoberteil 55, durch das die Kolbenstange 15 ebenfalls hindurchgreift, besitzt der Anzahl der Vertiefungen 56 angepaßte Ausnehmungen 60, die sich mit der Vertiefung 56 zu jeweils einem Membranspeicher 50, 51 und 52 ergänzen, wobei im Bereich zwischen der Ausnehmung 60 und der Vertiefung 56 der einzelnen Energiespeicher 50, 51 und 52 jeweils eine Membran 61 vorgesehen ist. Im Falle eines Membran-Federspeichers ist in der Ausnehmung 60 die Feder 60a angeordnet. Alle Vertiefungen 56 und 57 sind umgeben von einer Rille 62, die über Bohrungen 63 mit der Vertiefung 57 verbunden ist, wodurch sich hierbei eine optimale Abdichtung gegen Leckage ergibt.
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An das Gehäuseunterteil 54 ist eine Pumpe 36 mit angebautem Pumpenmotor 65 angeflanscht. Ebenso sind an das Gehäuseunterteil 54 Ventile angeflanscht, die jedoch in der geschnittenen Darstellung von Figur 4 nicht sichtbar sind. Innerhalb des Gehäuseunterteils 54 verbinden Kanäle als Fluid-Leitungen die Speicherräume 56, den Entlastungsraum 57, die Pumpe 36, die Ventile sowie die Teilräume 19 bzw. 58 der Kolben-Zylinderanordnung entsprechend der aus den Figuren 1 bis 3 ersichtlichen Weise.
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Diese Kanäle sind in der Figur 4 als Teilstücke (beispielsweise 63, 20 oder 38) dargestellt. Die Ventile 28, 29 und 20 bzw. 40 erkennt man in Figur 5 seitlich hervorstehend. Das Gehäuseoberteil 55 ist mit dem Gehäuseunterteil 54 mittels Schraubverbindungen 66 verbunden.
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Die Figur 6 zeigt eine Schnittansicht durch das Gehäuseunterteil 54 und das Gehäuseoberteil 55, wobei zwei nebeneinanderliegende Vertiefungen 56 mit zwei entsprechenden Ausnehmungen im Block 60 im Gehäuseoberteil zwei Speicher, beispielsweise den Speicher 50 bzw. den Speicher 51 bilden. Wie aus Figur 4 ersichtlich, ist zwischen dem Gehäuseunterteil 54 und dem Gehäuseoberteil 55 jeweils eine Membran 61 vorgesehen, wodurch die beiden Räume 56 und 60 voneinander getrennt sind; der Raum 60 ist die Gasseite bzw. Federseite des Membranspeichers und der Raum 56 jeweils die Öl- bzw. Fluidseite. Die Vertiefung bzw. die Ausnehmung 60 im Gehäuseoberteil 55 sind so bemessen, daß nur noch ein vergleichsweiser dünner Wandbereich 67 bzw. 68 zu der Oberteilaußenfläche verbleibt. Auf dieser Außenfläche des Oberteiles 55 wird je ein Dehnungsmeßstreifen 69 bzw. 70 oder eine Dehnungsmeßstreifenanordnung 69 bzw. 70 vorgesehen, mit der die Verformung des Wandbereiches 67 bzw. 68 gemessen werden kann. Es wird hierzu verwiesen auf die Figuren 7 und 8.
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Die Figur 8 zeigt den Speicher 50 im geladenen Zustand. Die Vertiefung 56, d.h. die Fluidseite 56 ist mit Fluid bis auf den erforderlichen Druck von überlicherweise wenigen 100 bar angefüllt. Dadurch ist die Membran 61 angenähert eben und das Gas im Raum 60 steht unter dem gleichen hohen Druck wie das Druckfluid im Raum 50. Dadurch wird, wie in Figur 8 übertrieben dargestellt ist, der Wandbereich 67 nach außen ausgebeult, was von dem Dehnungsmeßstreifen 69 detektiert werden kann. Wenn aus dem Raum 56 bzw. aus dem Speicher 50 Fluid abgezogen wird, was über die Leitung 63 erfolgt, dann wird die Membran 61 durch den Druck des Gases im Raum 60 nach unten in die Vertiefung 56 hineinverformt, was aus Figur 7 ersichtlich ist, und dabei reduziert sich der Grad der Ausbeulung im Wandbereich 67, was von dem Dehnungsmeßstreifen 69 ebenfalls wieder detektiert werden kann. Die Form der Ausnehmung im Gehäuseoberteil ist dadurch bedingt, daß ein ausreichend großer Wandbereich 27 die dünne Wandstärke haben soll.