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Die
Erfindung betrifft einen pyrotechnischen Schalter zur Abschaltung
elektrischer Stromkreise der auch als Pyrosicherung bezeichnet wird.
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Aus
der nachveröffentlichten
DE 102 05 369 A1 sind
Pyrosicherungen bekannt, die einen elektrischen Leiter aufweisen,
der nach Auslösen
der Sicherung durch die Einwirkung einer pyrotechnischen Ladung
durchtrennt wird. Dabei wird ein vorhandener Stromweg unterbrochen,
der von zwei Kontaktstücken
und einem zwischen diesen gehaltenen rohrförmigen Leiter gebildet wird.
Um zu erreichen, dass der Stromkreis nicht wieder geschlossen wird,
werden die Kontaktstücke
nach dem Wegsprengen des rohrförmigen
Leiters voneinander weg bewegt, so dass ein erheblicher Abstand
zwischen den voneinander getrennten Leiterenden entsteht.
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Die
DE 102 05 369 A1 geht
davon aus, dass die irreversible Trennung der Bordverkabelung von der
Autobatterie kurz nach einem Unfall erfolgt. Von besonderer Bedeutung
ist eine sichere Trennung und ein sicheres Getrennthalten der Leiterenden
jedoch bei Systemen, die starken Beschleunigungen unterliegen. Dies
ist beispielsweise bei Kraftfahrzeugen im Falle eines Aufprallunfalls
der Fall. Hier sind elektrische Energiequellen, wie beispielsweise
die Kraftfahrzeugbatterie oder etwaige Brennstoffzellen von den
angeschlossenen Stromkreisen abzutrennen, ohne dass es durch die
Einwirkung der bei einem Auffahrunfall auftretenden heftigen Stöße zu einer zufälligen Wiederverbindung
der getrennten Leiterenden kommt.
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Davon
ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen pyrotechnischen Schalter
mit erhöhter Sicherheit
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Schalter nach Anspruch 1 gelöst.
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Der
erfindungsgemäße pyrotechnische Schalter
weist einen elektrisch leitenden Körper mit zwei voneinander beabstandeten
Leiterabschnitten, zwischen denen ein Solltrennbereich angeordnet
ist und ein Gehäuse
auf, das den elektrisch leitenden Körper wenigstens teilweise umschließt. Die
beiden Enden des elektrisch leitenden Körpers ragen als elektrische
Anschlüsse
aus dem Gehäuse
heraus. Von dem Gehäuse
ist insbesondere der Solltrennbereich des Körpers umschlossen, der nach
Auslösen des
Schalters aufge sprengt wird. Das Gehäuse dient dazu, die stattfindende
Explosion einzuschließen
und die voneinander getrennten Leiterabschnitte festzuhalten. Erfindungsgemäß lässt das
Gehäuse
nach Durchtrennung des Solltrennbereich eine begrenzte Axialbewegung
der separierten Leiterabschnitte zu. Diese Axialbewegung ist eine
axiale Expansionsbewegung, bei der die beiden Leiterabschnitte voneinander
weg bewegt werden. Dadurch wird nach dem Durchtrennen des Solltrennbereichs
ein Abstand zwischen den Leiterabschnitten erzielt, der größer ist
als die Länge
des Solltrennbereichs. So kann mit axial relativ kurzen Solltrennbereichen
gearbeitet werden, die eine lediglich kleine bzw. schwache pyrotechnische
Ladung erfordern. Dennoch wird nach dem Trennen ein erheblicher
Sicherheitsabstand zwischen den Leiterabschnitten erreicht, was
ein Wiederverbinden des Stromkreises ausschließt. Außerdem wird verhindert, dass
eine Wiederüberbrückung oder
Verbindung des Stromkreises durch die in dem Gehäuse verbleibenden Bruchstücke des
Solltrennbereichs erfolgt. Selbst wenn der Solltrennbereich nicht
pulverisiert sondern in größere Bruchstücke und
Splitter zerlegt wird, ist eine Wiederverbindung, d.h. Überbrückung der
Leiterabschnitte nicht mehr möglich
oder wesentlich weniger wahrscheinlich.
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Die
begrenzte Axialbewegung der Leiterabschnitte ist vorzugsweise nur
mit den bei der Auslösung
der Druckquelle, d.h. beispielsweise bei der Explosion einer entsprechenden
Ladung entstehenden erheblichen Kraft möglich. Beispielsweise sitzen
die Leiterabschnitte schwergängig
in entsprechenden Durchbrüchen
des Gehäuses,
so dass sie nach der erfolgten Trennung des Solltrennbereichs expandiert werden
aber nicht zurück
rutschen können.
Somit ist eine Fangeinrichtung ausgebildet, die die Leiterabschnitte
nach der axialen Verlagerung in ihrer expandierten Position hält. Dabei
ist vorzugsweise jedem der beiden Leiterabschnitte jeweils eine
Fangeinrichtung zugeordnet, so dass die Maximaldistanzen zwischen
den Leiterabschnitten nach Auslösung
des Schalters eingehalten wird.
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Vorzugsweise
ist die Fangeinrichtung jedoch so ausgebildet, dass sie nicht nur
auf der Reibung zwischen einzelnen Elementen sondern zusätzlich auf
wenigstens abschnittsweiser plastischer Deformation von Bereichen
des Gehäuses,
des Leiterabschnitts oder eines gesonderten Elements beruht. Die
plastische Deformation bewirkt das Aufzehren der in der Bewegung
der Leiterabschnitte enthaltenen Energie und zusätzlich das sichere Festklemmen
der expandierten Leiterabschnitte. Die voneinander entfernte Lagerung
der Leiterabschnitte ist dabei so fest, dass auch bei einem Unfall
eines Kraftfahrzeugs auftretende Beschleunigungen nicht zum Lösen der
Leiterabschnitte aus der Fangeinrichtung führen.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung weist das Gehäuse
zwei Stirnwände
mit Öffnungen auf,
deren Berandung jeweils in Ringnuten der Leiterabschnitte greifen.
Dabei ist der unversehrte Körper des
pyrotechnischen Schalters in dem Gehäuse mit radialem Spiel gehalten.
Jedoch ist die Nut in jedem Leiterabschnitt vorzugsweise breiter
als die Dicke der Stirnwand, so dass die Leiterabschnitte durch
Auslösen
des Schalters axial beweglich werden. Nimmt nun der Nutquerschnitt
in Axialrichtung zu dem Solltrennbereich hin ab, keilt sich der
Leiterabschnitt beispielsweise mit dem Nutboden im Verlaufe seiner
axialen Expansionsbewegung in der Durchgangsöffnung der Stirnwand fest.
Im Verlauf seiner weiteren Axialbewegung deformiert er die Stirnwand
und klemmt sich dabei selbst fest. Dies kann mit einem konischen
Nutboden, mit einem abschnittsweise konischen Nutboden oder mit
einem anderweitigen Nutboden erreicht werden, dessen Außenumriss
in Axialrichtung nach innen zu dem Solltrennbereich hin zunimmt.
Die Zunahme kann durch Durchmesservergrößerung, durch einzelne Vorsprünge oder
durch eine Änderung
der Form, etwa durch einen Übergang vom
kreisförmigen
Querschnitt zu einem vier- oder sechseckigen oder mehreckigen Querschnitt
geschehen. Über
die Querschnittszunahme lässt
sich außerdem
die Abbremswirkung der von der Explosion nach außen beschleunigten Leiterabschnitte
steuern. Außerdem
kann erreicht werden, dass diese in Expansionsstellung unverrückbar festgekeilt
sind.
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Die
Ringnut weist vorzugsweise ebene Flanken auf, die mit ebenen Innen-
und Außenseiten
der Stirnwände
korrespondieren. Die Nuten sind dabei jedoch vorzugsweise breiter
als die Dicke der jeweiligen Stirnwand. Dadurch wird die axiale
Beweglichkeit der Leiterabschnitte nach Durchtrennung des Solltrennbereichs
ermöglicht.
Jedoch stimmt der Abstand der nach innen weisenden Nutflanken vorzugsweise
mit dem Abstand der nach außen
weisenden Flächen
der Stirnseiten überein,
so dass der Körper in
dem Gehäuse
axial unverschiebbar gelagert ist, solange der Solltrennbereich
die Leiterabschnitte verbindet. Der Sitz des Gehäuses an dem Körper kann
mehr oder weniger dicht sein. Bevorzugterweise ist zwischen den
Stirnwänden
und den betreffenden Bereichen der Leiterabschnitte ein enger Spalt ausgebildet.
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Der Übergang
des Solltrennbereichs zu den Leiterabschnitten erfolgt vorzugsweise
in einer Stufe, so dass an den Leiterabschnitten zwei im Abstand einander
gegenüber
liegende Planflächen
ausgebildet sind. Diese Planflächen können als
Angriffsflächen
für eine
von der Explosion des Solltrennbereichs ausgehende Druckwelle dienen,
die die voneinander getrennten Leiterabschnitte axial nach außen treibt.
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Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder
von Unteransprüchen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßen Schalter
in schematisierter, längsgeschnittener
Darstellung,
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2 den Schalter nach 1 nach dem Auslösen,
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3 einen Leiterabschnitt
des Schalters nach 1,
geschnitten entlang der Linie III-III in 1,
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4 den Leiterabschnitt des
Schalters nach 1, geschnitten
entlang der Linie IV-IV,
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5 eine abgewandelte Ausführungsform eines
Leiterabschnitts bei einem Schalter nach 1, geschnitten entlang der Linie III-III,
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6 den Leiterabschnitt der
Ausführungsform
nach 5, jedoch geschnitten
entlang der Linie IV-IV in 1 und
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7 eine abgewandelte Ausführungsform des
Schalters mit verformbarem Gehäuse
nach dem Auslösen
in längsgeschnittener
Darstellung.
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In 1 ist ein als Pyrosicherung
dienender pyrotechnischer Schalter 1 veranschaulicht, der
ein etwa zylindrisches Gehäuse 2 und
einen Körper 3 aufweist,
der in einem Innenraum 4 des Gehäuses 2 angeordnet
ist und mit beiden Enden 5, 6 aus dem Gehäuse 2 herausragt.
Die Enden 5, 6 dienen als elektrische Anschlüsse des
elektrisch leitenden, beispielsweise aus Messing bestehenden Körpers 3, der
vorzugsweise koaxial zu dem Gehäuse 2 angeordnet
ist.
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Der
Körper 3 ist
vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet, so dass seine Enden 5, 6 etwa zylindrisch
ausgebildet sind. Mittig in dem Gehäuse 2 ist an dem Körper 3 ein
zylindrischer Solltrennbereich 7 ausgebildet, an den sich
zu beiden Seiten Leiterabschnitte 8, 9 anschließen. Zu
diesen gehören
auch die Enden 5, 6. Im Übergang zwischen dem Solltrennbereich
und den Leiterabschnitten 8, 9 ist jeweils eine
Stufe vorgesehen, die durch aufeinander zu weisende Planflächen 11, 12 festgelegt
ist. Die Planflächen
sind Ringflächen
mit einer radialen Erstreckung, die vorzugsweise etwa so groß ist wie
der Durchmesser des Solltrennbereichs 7. Anstelle der Planflächen 11, 12 können auch
entsprechende konische Flächen
vorgesehen werden. Der äußere Rand der
jeweiligen Planfläche 11, 12 geht
in einen zylindrischen Außenumfangsbereich
der Leiterabschnitte 8, 9 über, an den sich bedarfsweise
ein Radialflansch 14, 15 anschließen kann.
Dieser schließt
gehäuseseitig
wiederum an eine ringförmige
Planfläche 16, 17 an,
die in einem Abstand A von der Gehäusewand steht.
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Zwischen
den Planflächen 16, 17 und
einer jeweils im Abstand gegenüber
liegenden Planfläche 18, 19 ist
in dem jeweiligen Leiterabschnitt 8, 9 eine Nut 21, 22 ausgebildet,
die breiter ist als an dem Gehäuse 2 vorgesehene Stirnwände 23, 24.
Die Planflächen 18, 19 sind
dabei so positioniert, dass sie an der Außenseite der jeweiligen Stirnwand 23, 24 anliegen.
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Die
Nut 21, 22 weist einen Boden 25, 26 auf, der
im Bereich der Stirnwand 23, 24 vorzugsweise zylindrisch
und in seiner Form mit der in der jeweiligen Stirnwand 23, 24 vorgesehenen Öffnung übereinstimmend
ausgebildet ist. Wie aus den 3 und 4 hervorgeht, vergrößert der
Boden 25, 26 zu der jeweiligen Planfläche 16, 17 hin
seinen Durchmesser, wobei sein Durchmesser oder zumindest sein Außenumriss
dabei den Umriss des Innenumfangs der in der jeweiligen Stirnwand 23, 24 vorgesehenen Öffnung übersteigt.
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Das
Gehäuse 2 ist
vorzugsweise aus einem nichtleitenden Material wie beispielsweise
Kunststoff ausgebildet. Es kann an seinem Außenumfang auf nicht weiter
veranschaulichte Weise mit einem Metallmantel versehen sein. Seine
Stirnwände 23, 24 sind
jedoch elektrisch isolierend von der Nut 21, 22 aufgenommen
oder bestehen aus elektrisch isolierendem Material. Das Material
ist vorzugsweise weicher als das Material des Körpers 3, was bei den meisten
weichplastischen Kunststoffen in der Regel ohne Weiteres der Fall
ist.
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Der
Körper 3 weist
eine zentrale Öffnung 27 auf,
die endseitig beispielsweise durch eine Vergussmasse 28 geschlossen
sein kann. Die Öffnung 27 definiert
jedoch einen Hohlraum, der sich insbesondere durch den Solltrennbereich 7 hindurch
erstreckt, so dass dieser durch einen dünnwandigen rohrförmigen Steg
gebildet ist. In dem durch die Öffnung 27 gebildeten
Hohlraum ist eine Treibladung 29 angeordnet, die als Druckquelle
zum Aufsprengen des Solltrenn bereichs 7 dient. Die Treibladung 29 kann
durch Wärmeentwicklung
in Folge Stromdurchflusses des Körpers 3 oder
durch eine gesonderte, in 1 schematisch
dargestellte, Zündeinrichtung 30 ausgelöst werden.
Die Zündeinrichtung 30 kann
durch eine in die Vergussmasse 28 eingebettete Zündleitung
gebildet sein, die endseitig mit einer Zündkapsel oder einem Zünddraht
versehen ist.
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Der
insoweit beschriebene Schalter 1 arbeitet wie folgt:
Der
Schalter 1 ist in eine Schaltung zwischen einer elektrischen
Energiequelle und einem oder mehreren Abnehmern angeordnet. Der
Solltrennbereich 7, der den geringsten Leitungsquerschnitt
aufweist ist so dimensioniert, dass er sich durch die vorgesehenen Nennströme nicht
nennenswert erwärmt.
Die Treibladung 29 bleibt somit inaktiv und die elektrische
Verbindung zwischen den beiden Enden 5, 6 bleibt
bestehen.
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Soll
der Schalter 1 trennen, um beispielsweise im Fall einer
Notsituation oder einer sonstigen drohenden Gefahr, die an die elektrische
Energiequelle angeschlossenen Stromkreise leistungslos zu machen,
wird die Treibladung 29 ausgelöst. Dies kann über die
Zündeinrichtung 30 geschehen.
Alternativ kann die Zündung
bewirkt werden, indem ein Überstrom
den Solltrennbereich 7 soweit erwärmt, dass die Treibladung 29 direkt
oder durch Vermittlung eines Zündlacks
zündet.
Eine fremdgesteuerte Zündung
ist über
eine Zündleitung
möglich,
die durch die Vergussmasse 28 zu der Treibladung oder einem
Initialzünder
oder einem elektrischen Zünder
führt. Durch
die Explosion der Treibladung 29 entsteht in dem durch
die Öffnung 27 gebildeten
Hohlraum ein sehr schneller und steiler Druckanstieg, der den Solltrennbereich 7 bersten
lässt.
Die sich dabei entwickelnde Druckerhöhung in dem Innenraum 4 und
insbesondere die zunächst
von dem Solltrennbereich 7 ausgehende Druckwelle führt kurzzeitig
zu sehr großen
Druckkräften
auf die Planflächen 11, 12.
Der weggesprengte Solltrennbereich 7 hält nun die voneinander separierten
Leiterabschnitte 8, 9 nicht mehr zusammen. Die
auf die Planflächen 11, 12 wirkenden Kräfte treiben
nun die Leiterabschnitte 8, 9 axial nach außen. Damit
werden die konischen Abschnitte der Böden 25, 26 unter
Aufweitung der Stirnwandöffnungen
in diese eingetrieben bis die Planflächen 16, 17, wie
aus 2 hervorgeht, an
der Innenseite der jeweiligen Stirnwand 23, 24 anliegen.
Hier kommt die Axialbewegung zum stehen, wobei durch die Deformation
der Wandung der Stirnwandöffnungen
eine Klemmwirkung zwischen der Stirnwand 23 und dem Leiterabschnitt 8,
sowie der Stirnwand 24 und dem Leiterabschnitt 9 auftritt.
Die Klemmwirkung bewirkt, dass die Leiterabschnitte 8, 9 in
ihren axial expandierten Positionen festgehalten werden. Dadurch
ist der Abstand zwischen den Planflächen 11, 12 nunmehr
gegenüber
dem nicht gezündeten
Zustand vergrößert. Er
ist gleich der Summe aus der Länge
des Solltrennbereichs 7 und dem Zweifachen des Abstands
A (1). Dieser Abstand
ist so groß,
dass Bruchstücke
des Solltrennbereichs 7 auf keine Weise zu einer Verbindung
der beiden Leiterabschnitte 8, 9, d.h. zu einer
elektrischen Überbrückung des
Abstands zwischen diesen führen
können.
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In 4 und 5 ist eine abgewandelte Ausführungsform
des Schalters 1 anhand des Körpers 4 veranschaulicht.
Bei ansonsten gleicher Ausbildung des Schalters 1 unterscheidet
sich der Körper 4 der Ausführungsform
nach den 5 und 6 von dem vorbeschriebenen
Körper 4 durch
die Form des Bodens 25, 26 der jeweiligen Nut 21, 22.
In den 5, 6 ist dies anhand des Bodens 25 veranschaulicht.
Der Umriss des Endes 5 ist, wie auch in 4 und 3,
jeweils gestrichelt veranschaulicht. Der Boden 25 weicht
von der Kreisform ab. Beispielsweise kann er im Bereich des Schnitts
III-III viereckig (5)
und im Bereich des Schnitts IV-IV
wiederum kreisförmig (6) sein. Auch jeder andere
Art von Vorsprüngen und
dergleichen im Bereich des in 1 zwischen der
Innenseite der Stirnwand 23, 24 und der Planfläche 16, 17 befindlichen
Teils des Bodens 25, 26 ist vorsehbar. Beispielsweise
können
an dem Boden 25, 26 Radien, Schrägen oder
sonstige Vorsprünge
ausgebildet sein, die sich bei der axialen Expansion der Leiterabschnitte 8, 9 in
die Wandung der Stirnöffnung eingraben.
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7 veranschaulicht eine weitere
Ausführungsform
der Erfindung. Bei dieser ist das Gehäuse 2 irreversibel
plastisch deformierbar ausgebildet. In nicht gezündetem Zustand hat es etwa
die Form des Gehäuses 2 nach 1, was in 7 gestrichelt veranschaulicht ist. Die
Nuten 21, 22 sind enger ausgebildet, so dass die
Stirnwände 23, 24 spielarm
in diesen sitzen. Bei der Auslösung
der Treibladung 29 wird der Solltrennbereich 7 aufgesprengt
und die Leiterabschnitte 8, 9 werden voneinander
weg bewegt. Dieser Zustand ist in 7 veranschaulicht.
Dabei werden die Stirnwände 23, 24 des
Gehäuses 2 deformiert,
wobei sie in dieser deformierten Position stehen bleiben und die
Leiterabschnitte 8, 9 dann in dieser Position
halten. Wie bei den vorstehend beschriebenen Beispielen lassen die
an die Enden 5, 6 angeschlossenen äußeren Leiter
die eintretende geringe Axialbewegung der Leiterabschnitte 8, 9 und
somit der Enden 5, 6 zu.
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Ein
pyrotechnischer Schalter, der beispielsweise als Pyrosicherung dienen
kann, weist ein Gehäuse
und einen Sicherungsleiter in Form eines Körpers 4 auf. Dieser
Körper 4 ist
mit einem Solltrennbereich 7 versehen, der durch eine intern
angebrachte Treibladung 29 aufsprengbar ist. Nach Separation der
verbleibenden Leiterabschnitte 8, 9 können diese durch
die sich entwickelnde Druckwelle axial nach außen expandiert werden, wobei
sie in einer expandierten Position festgeklemmt werden. Dazu dient eine
plastische Deformation des Gehäuses 2,
des betreffenden Leiterabschnitts 8, 9 oder eines
zwischen beiden vorgesehenen Quetschelements. Die Nut 21, 22 und
insbesondere die spezielle Formgebung ihres jeweiligen Bodens 25, 26 bildet
somit im Zusammenhang mit der Stirnöffnung der Stirnwand 23, 24 eine
Fangeinrichtung 31. Durch die Expansionsbewegung und die
Fixierung der Leiterabschnitte 8, 9 in expandierter
Position wird ein erhöhter
Sicherheitsabstand zwischen den getrennten Leiterabschnitten 8, 9 erreicht.
Ein Wiederverbinden durch Vibration, durch Druck von außen, durch
bei einem Unfall des Kraftfahrzeugs auftretende Beschleunigungen
oder durch herumfliegende Bruchstücke des Solltrennbereichs 7 ist
somit mit höchster
Sicherheit ausgeschlossen.