DE3306049A1

DE3306049A1 - Vorrichtung zum ziehen eines einkristalls aus einem tiegel

Info

Publication number: DE3306049A1
Application number: DE19833306049
Authority: DE
Inventors: Burkhard Dipl.-Phys. Dr. 6454 Bruchköbel Altekrüger
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1983-02-22
Filing date: 1983-02-22
Publication date: 1984-08-23
Also published as: IT1175935B; JPS59156994A; NL8400016A; IT8419564A0; FR2541315A1

Description

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LEYBOLD-HERAEUS GmbH
Bonner Straße 504

D-5000 Köln - 51

Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus einem Tiegel "

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus einem Tiegel mittels mindestens eines aufwickelbaren Zugorgans, insbesondere mittels mindestens eines Seils, an dessen oberhalb des Tiegels angeordnetem Ende ein Keimkristallhalter befestigt ist und welches mit einer Hub-Antriebseinrichtung verbunden ist, die auf einer um die Kristallachse drehbaren Plattform angeordnet ist.

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Eine derartige Vorrichtung ist durch die DE-OS 31 16 916 bekannt. Die Drehung der Plattform während des Ziehvorgangs dient dazu, dem Keimkristallhalter eine entsprechende Drehung mitzuteilen, so daß auch der bereits gezogene Teil des Kristalls gegenüber dem Tiegel eine kontinuierliche Rotation ausführt, deren Drehzahl größenordnungsmäßig bei 15 bis 20 min" liegt. Die bekannte Vorrichtung besitzt aber nur ein einziges Seil, das bis zu seinem tangentialen Auflaufen auf die Aufwickeltrommel senkrecht verläuft und zusammen mit dem Keimkristallhalter bzw. mit dem Kristall eine Art Pendel bildet. Während die Drehbewegung der Plattform zuverlässig auf den Kristall übertragen werden kann, verursacht die Pendelbewegung einige Probleme, zumal die freie Seillänge am Anfang des Ziehprozesses durchaus bei 3 m liegen kann, wobei dieser Wert in Zukunft noch gesteigert werden dürfte.

Anstösse für eine Pendelbewegung unterliegen dem Zufall. Die Drehzahl von Seil und Kristall sowie die Seillänge entscheiden aber darüber, ob die Pendelbewegung gedämpft ist oder sich aufschaukelt. Es existiert eine sogenannte kritische Drehzahl w. bzw. eine kritische Seillänge L. , bei deren Überschreitung eine stabile Rotation nicht mehr möglich ist. Diese Größen haben folgende Abhängigkeit

^Lk ■

wobei g = die Erdbeschleunigung ist.

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Der stabile Drehzahlbereich für die Kristallrotation ist bei der bekannten Ausführungsform bei einer Seillänge von etwa 2,5 m auf maximal etwa 15 bis 20 min"¹ beschränkt. Höhere Drehzahlen von 30 min"¹ und darüber sind vom Ziehprozeß her wünschenswert, konnten aber bisher nicht erreicht werden, da der Kristall aufgrund von Störungen durch die Konvektion der Schmelze ins Schwingen kommt, so daß eine Fortsetzung des Ziehprozesses unmöglich ist.

Stabilitätsberechnungen können aufgrund der vereinfachten Annahme durchgeführt werden, daß es sich um ein rotierendes Schwerependel der Länge L mit der Masse M handelt, das einerseits der Schwerkraft und andererseits der Fliehkraft unterworfen ist. Berechnungen führen zu einer Abhängigkeit der kritischen Drehzahl von der Pendellänge (freie Seillänge), die sich durch folgende Tabelle darstellen läßt:

Seillänge L

krit. Drehzahl W₁,

(cm)

(min"¹)

50

42,3

100

29,9

150

24,2

200

21,15

250

18,9

300

17,3

Wegen der Proportionalität von Flieh- und Rückstellkraft mit der Masse M bringt also auch eine Vergrößerung der Masse, beispielsweise durch einen schwereren Keimkristallhalter, keine Abhilfe. Bedingt durch die Verlagerung des Schwerpunktes durch den wachsenden Kristall verlängert sich sogar die effektive Pendellänge am Anfang des Ziehprozesses noch etwas, um sich dann mit dem länger werdenden Kristall wieder zu verkürzen, da etwa ab einem Gleichgewicht der Massen

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von Keimkristallhalter und Kristall der gemeinsame Schwerpunkt mit etwa halber Ziehgeschwindigkeit wieder nach oben wandert.

Die in der Tabelle genannten kritischen Drehzahlwerte haben die Bedeutung, daß unterhalb der kritischen Drehzahl bzw. der kritischen Pendellänge das Pendel bei kleinen Störungen wieder zur Mittellage zurückkehrt (stabiles Gleichgewicht). Oberhalb der kritischen Drehzahl bzw. der kritischen Pendellänge wird das Pendel jedoch noch weiter nach außen getrieben (instabiler Zustand). Die Endlage wird in dem Auslenkungsbereich erreicht, in dem die Rückstellkraft überproportional zur Auslenkung steigt. Eine solche Endlage ist jedoch für den Ziehprozeß untragbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, daß die Neigung der Kristallaufhängung zum Pendeln weitgehend unterdrückt wird. Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, die bekannte Vorrichtung dahingehend zu verbessern, daß die Drehzahl des Kristalls gegenüber den bisher verwendeten Drehzahlen merklich gesteigert werden kann.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch, daß von den Ecken eines in der Plattform liegenden Dreiecks drei im wesentlichen gleich lange Zugorgane nach unten in Richtung auf den Keimkristallhalter geführt und an einer gemeinsamen Verbindungsstelle

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- /T

miteinander verbunden sind. Auf diese Weise wird eine stabile Dreipunktaufhängung erreicht, so daß die freie Seillänge jedenfalls nicht an der Ausbildung eines Pendels teilnimmt.

Es ist dabei besonders vorteilhaft, die gemeinsame Verbindungsstelle für die drei Zugorgane soweit wie möglich nach unten .zu verlagern. Es ist infolgedessen besonders zweckmäßig, den Keimkristallhalter selbst als gemeinsame Befestigungsstelle für die drei Zugorgane (Seile) auszubilden. Aufgrund dieser Maßnahme bildet allenfalls noch der unterhalb des Keimkristallhalters liegende Kristall ein Pendel. Für dieses allein liegt die kritische Drehzahl jedoch so hoch, daß sie im praktischen Ziehbetrieb nicht mehr erreicht wird.

Da derartige Vorrichtungen einen außerordentlich festen Stand haben, sind die Anregungskräfte für eine Pendelbewegung ohnehin sehr gering; sie rühren, wie bereits gesagt, überwiegend von Konvektionsbewegungen der Schmelze im Tiegel her. Praktische Versuche haben daher gezeigt, daß die Seitenlänge des in der Plattform liegenden Dreiecks verhältnismäßig gering sein kann. Bereits für den Fall, daß die Ecken des Dreiecks in radialer Richtung 5 cm von der Drehachse des Kristalls entfernt sind, errechnet sich für eine Masse Hn = 5 kg eine notwendige Kraft von mindestens 0,1 kp, um überhaupt eine Auslenkung zu ermöglichen. Derartige Kräfte treten aber im Normalbetrieb nicht auf. Solange entsprechende Stör- oder Anregungskräfte unterhalb

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eines entsprechenden Schwellenwertes liegen, können sie den Schwerpunkt nicht mehr aas der Mittellage herausbewegen. Eine solche Anfangs-Stabilität bringt ein stabiles Gleichgewicht auch oberhalb der kritischen Werte für die Pendellänge bzw. Drehzahl mit sich. Weiterhin verursacht bei der erfindungsgemäßen Lösung eine Vergrößerung der Anfangsmasse M_Q (Keimkristallhalter) eine Erhöhung.der Stabilität. Dies ist, wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, bei der Ein-Seil-Aufhängung nicht möglich.

Für die Zentrierung des Keimkristallhalters in der Vorrichtung, deren tragender Mantel durch eine Vakuumkammer gebildet wird, ist es besonders vorteilhaft, innerhalb mindestens eines Zugorgans eine Längenjustiereinrichtung anzuordnen.

Die Plattform, die im übertragenen Sinne auch als Bezugsplattform für die Rotationsbewegung des Kristalls angesehen werden kann, wird üblicherweise als Rotationskörper ausgebildet. Es ist dabei möglich, die Zugergane einzeln durch entsprechende Bohrungen oder Schlitze in der Plattform hindurchzuführen. Im Hinblick auf eine Montage ist es jedoch besonders vorteilhaft, wenn die Plattform als Kreisringscheibe ausgebildet ist und eine öffnung aufweist, deren Durchmesser gleich groß oder größer ist als der durch die Ecken des Dreiecks verlaufende Kreis.

Eine besonders einfache Vorrichtung ist gemäß der weiteren Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß auf der

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Plattform eine angetriebene waagrechte Welle mit einer darauf längsverschiebbaren Aufwickeltrommel angeordnet ist₃ auf die die drei Zugorgane aufwickelbar sind, von denen mindestens eines über eine Umlenkrolle seitlich ausgelenkt wird. Ganz besonders zweckmäßig ist hierbei die Mantelfläche der Aufwickeltrommel mit drei schraubenlinienförmigen Nuten entsprechender Steigung für die Aufnahme und Führung der . drei Zugorgane versehen. Zwei dieser Zugorgane können von der Aufwickeltrommel geradlinig in Richtung auf die gemeinsame Verbindungsstelle verlaufen, während das dritte Zugorgan über eine Umlenkrolle derart seitlich ausgelenkt wird, daß die Mittelpunkte der Zugorgane an der Durchdringungsstelle durch die Plattform an den Ecken eines Dreiecks liegen. Ganz besonders zweckmäßig kann hierbei die Umlenkrolle in waagrechter Richtung verstellbar angeordnet sein, so daß eine Justierung des KeimkristaTlhalters im Sinne einer Zentrierung innerhalb der Vorrichtung möglich ist. Im vorstehend beschriebenen Fall genügt eine einzige Aufwickeltrommel. Es ist jedoch möglich, für das Aufwickeln und für die Führung der Zugorgane zwei oder drei getrennte Aufwickeltrommeln vorzusehen, die synchron angetrieben werden müssen.

Eine wiederum besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß auf der Plattform auf deren Umfang verteilt drei Aufwickeltrommeln angeordnet sind, die in Bezug auf ihre Aufwickel geschwindigkeit synchron angetrieben sind. In einem solchen

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Falle kann sogar auf die Längsverschiebbarkeit der Aufwickeltrommeln auf der angetriebenen waagrechten Welle verzichtet werden, weil nämlich die Wanderung des Zugorgans auf der Aufwickeltrommel beim Auf- oder Abwickeln auf allen drei Aufwickeltrommeln gleichsinnig erfolgt, so daß diese Wanderung sich allenfalls zur Umfangsgeschwindigkeit an dem betreffenden Durchmesser der Plattform addiert. Die axiale Wanderungsgeschwindigkeit der Zugorgane auf den Trommeln ist jedoch klein im Verhältnis zur Umfangsgeschwindigkeit bzw. Drehzahl der Plattform.

Zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 ' eine perspektivische Darstellung (teilweise

aufgebrochen) einer vollständigen Vorrichtung mit einer einzigen Aufwickeltrommel und sämtlichen Antriebselementen und

Figur 2 eine Draufsicht auf die Plattform einer

modifizierten Vorrichtung mit drei synchron angetriebenen Aufwiekel trommeln.

Figur 1 zeigt in sehr vereinfachter Darstellung, d.h. unter Weglassung von Chargieröffnungen, Beobachtungsund Regeleinrichtungen eine Vakuumkammer 1, die im

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wesentlichen als zylindrischer Kessel mit senkrechter Achse ausgeführt ist. Die Vakuumkammer besitzt auf ihrer Oberseite einen koaxialen zylindrischen Kragen 2, infdem eine nicht gezeigte Drehlagerung für eine drehbare Plattform 3 angeordnet ist. Die Drehlagerung ist dabei so ausgebildet, daß eine freie öffnung 3a nach unten vorhanden ist. Die Plattform 3 ist als Kreisringscheibe ausgebildet, konzentrisch zum Kragen 2 angeordnet und an ihrer Unterseite mit einer gleichfalls nicht gezeigten Riemenscheibe versehen, über die ein Keilriemen 4 geführt ist. Eine außerhalb der Plattform liegende weitere Riemenscheibe 5 ist auf der Abtriebswelle 6 eines Drehantriebs 7 gelagert, der aus einem Motor 8 und einem Untersetzungsgetriebe 9 besteht. Der

Motor 8 ist in einem weiten Drehzahlbereich regelbar.

Das Untersetzungsgetriebe 9 ist über einen Tragwinkel auf der Oberseite der Vakuumkammer 1 befestigt. Auf die angegebene Weise kann die Plattform 3 eine Drehbewegung um eine vertikale Achse ausführen, die mit der gemeinsamen Achse der Vakuumkammer 1 und des Kragens 2 identisch ist.

Auf der Plattform 3 und mit dieser drehbar sind zwei Lagerböcke 11 und 12 angeordnet, in denen eine waagrechte Welle 13 gelagert ist. Auf dieser ist wiederum längsverschiebbar eine Aufwickeltrommel 14 angeordnet, die jedoch gegenüber der Welle 13 unverdrehbar ist, d.h. von dieser zwangsweise mitgenommen wird. Auf dem Mantel der Aufwickeltrommel 14 befinden sich drei schrauben-1inienförmige Nuten, die nur angedeutet sind, und in denen

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drei aufwickelbare Zugorgane 15,. 16 und. 17 geführt sind. Die oberen Enden dieser Aufwickelorgane sind mit der Aufwickeltrommel 14 fest verbunden. Die Aufwickeltrommel 14 ist dabei um ein solches Maß auf der Welle 13 axial verschiebbar, daß diejenigen Stellen, an denen die Zugorgane tangential auf die Aufwickeltrommel auflaufen stets die gleiche relative Lage in Bezug auf die Plattform 3 besitzen. Dies kann durch entsprechende Führungselemente, die in die schrauben-1inienförmigen Nuten eingreifen und an der Plattform selbst befestigt sind, leicht erreicht werden.

Wie aus Figur 1 ersichtlich, sind die beiden Zugorgane 15 und 16 von der Stelle an, an der sie die Aufwickeltrommel in tangentialer Richtung verlassen, unter einem sehr spitzen Winkel nach unten geführt, bis sie an einer gemeinsamen Verbindungsstelle 18 aufeinandertreffen. Dies ist unmittelbar oberhalb eines Keimkristallhalters. 19 der Fall. Das dritte Zugorgan 17 wird nach dem Verlassen der Aufwickeltrommel 14 zunächst in horizontaler Richtung zu einer Umlenkrolle 20 geführt, die mittels eines Lagers 21 an einer Winkelstütze 22 befestigt ist, die ihrerseits über ein Langloch mit der Plattform 3 verschraubt ist, so daß durch eine entsprechende Verstellung der Umlenkrolle 20 gegenüber der Aufwickeltrommel 14 eine Längenjustierung der Zugorgane untereinander erfolgen kann. Es ist natürlich möglich, eines oder mehrere der Zugorgane mit einer Längenjustiereinrichtung 38 zu versehen, die in der Weise ausgeführt sein kann, wie dies von Nachstellvor-

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richtungen für Bowdenzüge her bekannt ist.

Durch entsprechende Einstellung der Seillängen untereinander ist es möglich, die gemeinsame Verbindungsstelle 18 exakt mit der Drehachse der Plattform 3 zur Deckung zu bringen, so daß jede Exzentrizität des Keimkristallhalters. 19 ausgeschaltet ist.

In den Keimkristallhaltern 19 ist ein sogenannter Keimkristall oder "Impfling" eingespannt, von dem ausgehend der Kristall 23 über einen Dünnhals 24 und eine Schulter 25 gezogen wird. Das Ziehen erfolgt au.s einer Schmelze 26, die sich in einem Tiegel 27 befindet, der von einer Heizspule 28 umgeben ist. Während des Ziehens führt der Kristall 23 nach Maßgabe der Rotation der Plattform 3 eine Drehung um seine Längsachse aus.

Einzelheiten dieses Ziehprozesses, der auch als

Czochralski-Prozeß bekannt ist, sind jedoch Stand der ■ Technik, so. daß sich ein weiteres Eingehen hierauf erübrigt.

Mit der Welle 13 ist ein Schneckenrad 29 fest verbunden, das durch eine Schnecke 30 in Richtung des Pfeiles

angetrieben wird. Zu diesem Zweck ist die Schnecke 30 auf einer Welle 31 befestigt? die an ihrem unteren Ende mittels eines Lagers 32 in der Plattform 3 und mit ihrem oberen Ende in einem Untersetzungsgetriebe 25- gelagert ist, das seinerseits durch einen Motor 34 angetrieben wird. Durch den Motor 34, der gleichfalls drehzahlgeregelt ist und gegebenenfalls auch Umschalteinrichtungen aufweist, wird eine Hub-Antriebseinrichtung 35 gebildet, durch die alle drei Zugorgane 15, 16

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und 17 gleichzeitig auf die Aufwickeltrommel 14 aufgewickelt oder von dieser abgewickelt werden können, so daß sich die gemeinsame Verbindungsstelle 18 stets entlang der senkrechten Drehachse der Plattform 3 bewegt. Auf die angegebene Weise rotiert die Hub-Antriebseinrichtung 35 zwangsläufig mit der Plattform 3, die nach oben hin durch eine nur gestrichelt dargestellte Abdeckhaube 36 überdeckt ist. Auf dieser Abdeckhaube 36 ist auch in nicht dargestellter Weise das Untersetzungsgetriebe 33 befestigt, so daß die Welle 31 eindeutig gelagert ist.

Figur 2 zeigt in der Draufsicht auf einer kreisringförmigen Plattform 3 in äquidistanter Verteilung auf den Umfang drei Hub-Antriebseinrichtungen 35a, 35b und 35c, die sämtlich den gleichen Aufbau besitzen und aus einer Welle 13, einer Aufwickeltrommel 14, einem Schneckenrad 29 und einer angetriebenen Schnecke 30 bestehen. Die in den Lagerböcken 11 und 12 gelagerte Welle verläuft dabei in etwa senkrecht zu einer Ebene, die radial zur Drehachse der Plattform 3 ausgerichtet ist und etwa durch den Schwerpunkt der Aufwickeltrommel 14 verläuft. Die drei Zugorgane 15, 16 und 17 sind auch hier auf die gemeinsame Verbindungsstelle 18 unmittelbar oberhalb des Keimkristallhalters ausgerichtet, so daß sich die gewünschte Dreipunktaufhängung des Kristalls ergibt. Die Aufwickeltrommeln 14 haben gleiche Durchmesser, und zum Zwecke eines synchronen Antriebs sind die Schnecken 30 miteinander zwangsläufig gekuppelt, und zwar zweckmäßig durch eine

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umlaufende Kette 37, die in Figur 2 strichpunktiert dargestellt ist. Es genügt hierbei, eine der Schnecken 30 in einer Weise anzutreiben, wie dies analog in Figur 1 dargestellt ist.

Für die Zugorgane. 15,.16 und 17 können Gliederketten, Kugelketten oder - bevorzugt, Drahtseile verwendet werden. Während beim Stand der Technik jedoch ein einziges Seil verwendet wird, das entsprechend torsionssteif ausgebildet werden muß und infolgedessen auch dem Aufwickeln gegenüber ein erhebliches Biegemoment aufweist, brauchen die Zugorgane bei der erfindungsgemäßen Mehrfachanordnung praktisch keine Drehmomente zu übertragen, so daß die Seile dünner und damit auch · biegeelastischer ausgeführt werden können, so daß das Aufwickeln wesentlich erleichtert wird. Infolgedessen können nicht nur einfachere Seile, sondern auch Aufwickeltrommeln mit geringerem Durchmesser und wesentlich geringerer Länge verwendet werden, so daß sich die gesamte Anordnung trotz der Anordnung von drei Zug-

Organen äußerst kompakt und zuverlässig aufbauen läßt.

Das in der Anmeldung beschriebene Dreieck ist natürlich eine Hilfskonstruktion für die Beschreibung der geometrischen Lage der Zugorgane. Dieses in der Plattform liegende Dreieck definiert durch seine Ecken drei Punkte, durch die die Längsachsen der Zugorgane zwischen der Verbindungsstelle und den Aufwickeltrommeln verlaufen, so daß die beschriebene Dreipunktaufhängung gegeben ist. Das Dreieck kann natürlich ein ungleich-

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seitiges Dreieck sein; es ist jedoch im Hinblick auf eine möglichst gleichmäßige Kräfteverteilung anzustreben, dieses Dreieck als gleichseitiges Dreieck zu betrachten. Das betreffende Dreieck hat in Umfangsrichtung auch keineswegs eine starre Lage gegenüber der Plattform 3. Wenn beispielsweise, ausgehend von einer Anordnung gemäß Figur 2, die Zugorgane (Seile) auf- oder abgewickelt werden, dann vollführt das betreffende Dreieck relativ zur Plattform 3 eine langsame Drehbewegung, deren Winkelgeschwindigkeit jedoch gegenüber der Winkelgeschwindigkeit der Plattform 3 beim Betrieb vernachlässigbar ist.

- Leerseite -

Claims

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A N S PR 0 CHE:

Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus einem Tiegel mittels mindestens eines aufwickelbaren Zugorgans, insbesondere mittels mindestens eines Seils, an dessen oberhalb des Tiegels angeordnetem Ende ein Keimkristallhalter befestigt ist und welches mit einer Hub-Antriebseinrichtung verbunden ist, die auf einer um die Kristallachse drehbaren Plattform angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß von den Ecken eines in der Plattform ( 3 ) liegenden Dreiecks drei im wesentlichen gleich lange Zugorgane (15, 16, 17) nach unten in Richtung auf den Keimkristall halter (19) geführt und an einer gemeinsamen Verbindungsstelle (18) miteinander verbunden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstelle (18) im Bereich des Keimkristallhalters (19) liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb mindestens eines Zugorgans (17) eine Längenjustiereinrichtung (38) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattform ( 3) als Kreisringscheibe mit einer Öffnung (3a) ausgebildet ist, deren Durchmesser gleich groß oder größer ist als der durch die Ecken des Dreiecks verlaufende Kreis.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Plattform (3 ) eine angetriebene waagrechte Welle (13) mit einer darauf längsverschiebbaren Aufwickeltrommel (14) angeordnet ist, auf die die drei Zugorgane (15, 16, 17) aufwickelbar sind, von denen mindestens eines (17) über eine Umlenkroll-e- ( 20) seitlich ausgelenkt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß auf der Plattform (3) auf deren Umfang verteilt drei Aufwickel trommeln (14) angeordnet sind, die in Bezug auf ihre Aufwickelgeschwindigkeit synchron angetrieben sind.