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Die Erfindung bezieht sich auf ein wie in der Präambel des
Patentanspruchs 1 definiertes Gerät, welches eine Hochspannungsklemme umfaßt, die
besonders Stromtransformatoren aus Gießharz für den Einsatz im Freien
angepaßt ist. Sie interessiert vor allem die Hersteller von Elektromaterial.
Derartige Geräte sind in der Praxis bekannt.
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Die Hochspannungsanschlußklemme ist ein Organ zur Herstellung der
Verbindung mit einer Außenhochspannungsleitung. Ob gleich vorliegende
Erfindung speziell im Rahmen der Anwendung für Stromtransformatoren
entwickelt wurde, läßt sie sich durchaus auch auf andere Arten elektrischer
Geräte anwenden.
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Um dem Beispiel der Trockentransformatoren zu folgen: diese enthalten
Spulenwicklungen um Magnetkerne, die in einer geschlossenen, gegossenen
Isoliermasse um den genannten Kern angeordnet sind. Ein Teil dieser
Wicklungen ist mit einer Außenhochspannungsleitung, der andere mit einem
sekundären Niederspannungsnetz verbunden.
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Die Fertigung der Hochspannungsanschlußklemmen stellt gewisse
Konstruktionsprobleme. Tatsächlich bestehen sie im allgemeinen aus zwei
Teilen, nämlich dem an der Hochspannungsleitung angeschlossenen Kopf und
dem Sockel am Massenpotential. Diese beiden Teile werden durch einen
röhrenförmigen Isolator getrennt, der einen Kanal enthält, in welchem die
elektrischen Leiter untergebracht si nd, die den unteren Teil des Gerätes mit dem
Massenpotential verbinden, das die sekundären Ausgangsklemmen
aufnimmt, und einen oberen Teil, der die Anschlußteile an die
Hochspannungsleitung bringt. Infolgedessen herrscht zwischen Kopf und Sockel eine sehr
bedeutende Potentialdifferenz, was angesichts ihrer Nähe starke elektrische
Felder generiert, welche die Bildung von Lichtbögen und ionisierenden
Entladungen begünstigen.
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Bei dem verwendeten Isolator handelt es sich um ein Modell in
Rippenausführung, das heißt außen am Isolator sind eine Reihe Peripheriescheiben
angeordnet, wobei die Ränder dieser Scheiben nach unten geneigt sind, um
stagnierende Feuchtigkeit auf der unteren Fläche der Rippen zu vermeiden.
Dem Fachmann sind zahlreiche Isolatorprofile bekannt, die den Weg, der
vom Hochspannungsteil zum Erdeteil führt, verlängern und Fluchtlinien
schaffen, die der Bildung von Lichtbögen entgegenwirken, um ein Klettern
der Funken und die Initialzündung von Lichtbögen entlang dem Isolator zu
verhindern.
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Wenn es regnet oder sich mehr oder weniger leitende Ablagerungen aus
der Atmosphäre auf dem elektrischen Gerät bilden, die eine Leitung
elektrolytischer Art begünstigen, wird von dem Material, aus dem der Isolator
gefertigt ist, ein gutes Funken- und Lichtbogenverhalten gefordert. Deshalb
verwendet man zur Herstellung des Isolators Porzellan, Elastomere, Kunstharze
oder andere ähnliche Materialien.
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Außerdem werden die aktiven Teile des elektrischen Gerätes, die im Fall
von Transformatoren aus Magnetkreisen und Niederspannungs- sowie
Hochspannungswicklungen bestehen, im Gußverfahren mit solidem
Kunstharz überzogen, wobei die gesamte Baugruppe den Körper des elektrischen
Gerätes bildet. So ist dieses Gerät also in zwei Teile aufge teilt, wobei der eine
Teil von der Gruppe der mit der Hochspannung in Berührung stehenden
Bauteile und der andere Teil von der Gruppe der mit der Masse am
Erdpotential in Berührung stehenden Bauteile gebildet wird. Die natürlich isolierende
Oberfläche des Körpers des elektrischen Gerätes ist dem elektrischen Feld
unterworfen, welches zwischen dem Hochspannungsteil und dem an der Erde
angeschlossenen Unterspannungsteil herrscht. Deshalb wird sie, wie der
Isolator, zum Sitz kriechender elektrischer Entladungen, die auf die Dauer das
Gerät beschädigen und dessen Zerstörung verursachen können.
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Tatsächlich werden die verschiedenen Bereiche der Oberfläche eines
Isoliermaterials auf unvorhersehbare, sehr schwer zu bestimmende Potentiale
gebracht, die insbesondere von den in der Umgebung vorhandenen
elektrischen Feldern abhängen. Wenn, wie im Fall elektrischer
Hochspannungstransformatoren, starke elektrische Felder herrschen, wirken diese sich an der
Oberfläche der Isoliermaterialien aus, ohne daß man von vornherein die
entsprechenden Stellen bestimmen könnte, was zu einer Bildung wilder
elektrischer Entladungen führt, die zufallsbedingt an der Oberfläche der
Isoliermaterialien auftreten und sich unter Einwirkung der Luftfeuchtigkeit und der
Verschmutzung des Isolators verstärken.
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Dieses schwerwiegende Problem, dazu angetan, das elektrische Gerät zu
zerstören, konnte gelöst werden, indem man den Körper des elektrischen
Gerätes mit einer leitenden Metallschicht überzog. Im allgemeinen handelt es
sich um eine verhältnismäßig dicke und solide Schicht aus heiß
aufgespritztem Metall wie z.B. Zink, um eine leitende Schicht zu bilden, welche das
Potential der bedeckten Fläche ausgleicht. Je nach gewählter Anordnung ist die
leitende Schicht entweder mit dem Erdpotential oder mit der
Hochspannungsklemme verbunden. Auf diese Weise werden die
Oberflächenpotentiale fixiert und die Einflüsse der äußeren elektrischen Felder beherrscht. Die
Risiken der Bildung kletternder elektrischer Funken sind vollkommen
ausgeschlossen. Darüber hinaus muß die leitende Schicht fähig sein, den auf
einen eventuellen Lichtbogen zurückgehenden elektrischen Strom entlang
dem Isolator abzuleiten. Letzterer unterliegt dann in der Tat der
Konzentrationswirkung des elektrischen Feldes Hochspannungsleitung/Erde, und
demzufolge müssen auf dieser Ebene Maßnahmen zur Verminderung der
Risiken eines zufälligen Bruchs der äußeren oder inneren Isolierung im Falle
einer plötzlich eintretenden Überspannung durch Erzeugung eines Lichtbogens
ergriffen werden, um die Bildung ionisierender elektrischer Entladungen im
Inneren und in der Umgebung des Isolators zu verhindern.
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Unter diesen Bedingungen endet die - trotz allem dünne - leitende
Schicht in einer scharfen Kante gegenüber dem Isolator, die während des
Betriebs Funken und im Falle von Überspannung im Netz Lichtbögen erzeugt,
während die Leckströme entlang dem Isolator, die an dieser Kante entstehen,
diese durch ein Anfressen der Metallbeschichtung nach und nach
beschädigen.
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Hauptzweck der vorliegenden Erfindung ist es, ein bezüglich der
Isolierung verbessertes Gerät vorzuschlagen. Diesbezüglich ist die Verbesserung
auf zwei Ebenen vorgenoinmen worden. Zum einen wird in bezug auf die
Außenseite der Klemme die Oberfläche des Kopfes nicht mehr der Sitz einer
Bildung von Kletterfunken sein, wodurch seine Langlebigkeit gewährleistet
ist. Zum anderen wird - dank besonderer konstruktiver Anordnungen - die
Verteilung des elektrischen Feldes zwischen den unter Spannung stehenden
Bauteilen und der Masse im Inneren des Isolators vollkommen beherrscht,
um jedwede innere ionisierende elektrische Entladung zu vermeiden.
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Weitere Zwecke und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im
Verlauf der nachfolgenden Beschreibung, die allerdings nur als eine
Andeutung gegeben wird, deutlich werden.
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Die Hochspannungsanschlußklemme für elektrische Geräte, wie
Stromoder Spannungstransformator, der mindestens zwei Teile umfaßt, wovon
einer, der Kopf, mit der Hochspannungsleitung und der andere, der Sockel,
mit der Masse verbunden ist, wobei beide durch einen röhrenförmigen
Isolator voneinander getrennt sind, der einen Kanal enthält, in dem die Leiter
angeordnet sind, die das Hochspannungsanschlußteil mit dem inneren
Stromkreis des Gerätes verbinden, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf mit
einer Metallschicht überzogen ist und zwischen dem genannten Kopf und
dem Isolator ein Metallring eingefügt ist.
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Das Lesen nachfolgender Beschreibung, begleitet von den anliegenden
Zeichnungen, wird zu einem besseren Verständnis der Erfindung beitragen.
Es zeigen:
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- Figur 1, schematisch einen Schnitt der inneren Struktur der
erfindungsmäßigen Hochspannungsanschlußklemme,
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- Figur 2, in Detailanscht die Verbindung zwischen dem Ring und dem
Hochspannungsstift.
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- Figur 3, schematische einen Schnitt der inneren Struktur einer
Hochspannungsanschlußklemme in umgekehrter Montage.
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Vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Hochspannungsanschlußklemme für elektrische Geräte, wird Strom- oder
Spannungstrockentransformatoren. Sie betrifft vor allem Hersteller von Elektromaterial.
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Obwohl die vorliegende Erfindung speziell im Rahmen des Baus von
Mittelspannungs-Stromtransformatoren entwickelt wurde, läßt sie sich auf
alle Mittel- und Hochspannungsgeräte ausdehnen, welche Organe umfassen,
die in einer Isolierdose untergebracht oder mit Isolierharz überzogen sind.
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Bei den Hochspannungsanschlußklemmen handelt es sich um Organe,
die zum Anschluß an eine Außenhochspannungsleitung bestimmt sind. In
dem hier gewählten Beispiel eines Stromtransformators sind sämtliche
elektrischen Organe, das heißt Magnetkern und Hoch- und
Niederspannungswicklungen, in einem formgegossenen Kunstharzteil eingelassen, das auf
Figur 1 in Form eines Kopfes (1) dargestellt ist. Durch den Kopf (1) verläuft ein
Stift (2), der direkt an der Außenhochspannungsleitung angeschlossen ist. Der
Stift (2) ist auf einer hohlen isolierenden Stütze (3) befestigt, welche die
verschiedenen elektrischen Organe enthält. Dies bildet den ersten Teil des
Gerätes, der auf das Hochspannungspotential gebracht wird.
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Der andere Teil der Hochspannungsklemme wird durch den
Befestigungssockel (4) gebildet, der auf das Erdpotential gebracht wird. Die
Niederspannungsausgangsklemmen des Gerätes sind an dem Sockel (4) befestigt.
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Der Kopf (1) und der Sockel (4) werden durch einen röhrenförmigen
Rippenisolator (5) voneinander getrennt, in dem sich ein Kanal (6) befindet,
in welchem die nicht dargestellten Leiter der elektrischen Verbindung
untergebracht sind. Zwischen dem Kopf (1) und dem Sockel (4) ist eine bedeutende
Potentialdifferenz vorhanden, die der Speisespannung des elektrischen
Gerätes in Hochspannung entspricht.
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Der Rippenisolator (5) muß eine ausreichende Fluchtlinie aufweisen,
um ein Klettern der Funken infolge des zwischen dem Kopf (1) und dem
Sockel (4) herrschenden elektrischen Feldes zu verhindern. Wenn es regnet
oder wenn sich auf dem elektrischen Gerät mehr oder weniger leitende
Ablagerungen aus der Atmosphäre bilden, wird von dem Material, aus dem der
Isolator besteht, ein gutes Kletterfunken- und Lichtbogenverhalten verlangt.
Diese Phänomene der elektrolytischen Leitung sind äußerst gefährlich und
lassen sich nicht vollkommen ausschalten. Ganz besondere Sorgfalt ist auf
die Wahl des zur Herstellung des Rippenisolators (5) benutzten Materials zu
verwenden, damit dieses nicht unter Einwirkung der Lichtbögen oder aber
der Kletterfunken zerstört wird. So ist es beispielsweise wünschenswert,
Porzellan, Elastomer, Kunstharze oder andere Werkstoffe zu verwenden, die sich
ihrer Natur nach von denjenigen unterscheiden, wie sie für den Überzug der
aktiven Teile des Gerätes zum Einsatz kommen.
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Eben diese aktiven Teile, die im Falle der Transformatoren aus
Magnetkreisen sowie Niederspannungs- und Hochspannungswicklungen gebildet
werden, sind mit gegossenem soliden Kunstharz überzogen, so daß diese
Baugruppe den Körper des Gerätes bildet. So wird die auf natürliche Weise
isolierende Oberfläche dieses Körpers der Wirkung äußerer elektrischer Felder
unterworfen. Zwangsläufig sind die Potentiale der verschiedenen
Oberflächenzonen dieser Isoliermaterialien unbeständig und schwanken entsprechend
den Konstruktionsgeometrien, der Nähe der unter Spannung stehenden
Leiter sowie auch gemäß den atmosphärischen Bedingungen. Unter diesen
Bedingungen treten an der Oberfläche der Isoliermaterialien völlig
ünkontrollierbare elektrische Felder auf. Unter gewissen Umständen können sie zur
Entstehung ionisierender Entladungen führen, die mit der Zeit das Gerät
ernsthaft beschädigen können.
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Eben um diese Art von Beschädigungen zu bekämpfen, überziehen die
Hersteller den Gerätekörper mit einer verhältnismäßig dicken und soliden
Metallbeschichtung. Auf diese Weise werden die isolierenden Oberflächen
beseitigt, und die oberflächlichen elektrischen Felder verschwinden. Man
verbindet diese leitenden Schichten entweder mit dem Hochspannungspotential
oder mit dem Massenpotential, um die Teile unter Spannung und die
geerdeten Teile genau zu definieren und auf diese Weise die elektrischen Felder
präzise zu lokalisieren. In der Praxis erhält man die
Oberflächenbeschichtungen durch Aufspritzen von heißem Zink auf das Kunstharz, um eine leitende
Schicht herzustellen, welche das Potential der beschichteten Oberfläche
ausgleicht.
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In dem gewählten Beispiel der Figur 1 ist der äußere Teil des Kopfes (1)
mit einer leitenden Schicht (7) überzogen. Diese leitende Schicht (7) wird mit
dem Potential des Stifts (2) und demzufolge mit der Hochspannungsleitung
verbunden. Unter diesen Bedingungen ist das elektrische Feld im äußeren
Teil des Stifts streng auf den Abschnitt zwischen den oberen und unteren
äußeren Enden des Rippenisolators (5) begrenzt. Die Dicke der leitenden
Schicht (7) muß ausreichen, um dem Fließen eines elektrischen Leckstroms
standzuhalten, der zwischen dem Stift (2) und dem Sockel (4) entsteht.
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Diese Anordnung erweist sich für die Benutzer zunächst als
zufriedenstellend. Tatsächlich entspricht die leitende Schicht (7) vollkommen den
Anforderungen, und im Falle der Entstehung zufälliger Lichtbögen läuft der
Kletterfunke an der äußeren Fläche des Rippenisolators (5) entlang, vom
unteren Teil der Schicht (1), das heißt dem Auflagekranz des Kopfes (1) über den
Rippenisolator (5) bis z-im Sockel (4). Nun hört aber die oberflächliche
Schicht (7) genau an der scharfen Kante (8) des Auflagekranzes des Kopfes (1)
auf dem Isolator (5) auf. Die scharfe Kante begünstigt die Bildung der Funken
im Betrieb und die Bildung der Lichtbögen im Falle von Überspannung auf
dem Netz. Auch die Leckströme entlang dem Isolator (5) entstehen auf der
Höhe dieser Kante (8) und beschädigen diese nach und nach, indem sie die
Metallschicht (7) an dieser Stelle anfressen.
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Erfindungsgemäß wird zwischen dem Kopf (1) und dem Isolator (5) ein
Ring (9) eingefügt, wie auf Figur 1 dargestellt. Unter diesen Bedingungen liegt
die scharfe Kante (8) des Auflagekranzes des Kopfes (1) auf dem Metallring (9)
auf, und eben dieser Metallring (9) wird das dem Sockel (4) am nächsten
gelegene Teil sein, wo sich das maximale elektrische Feld konzentriert. Im Falle
einer Bildung von Lichtbögen entsteht der Funke auf der Höhe des Ringes (9),
um bis zum Sockel (4) zu laufen, und die scharfe Kante (8) des Kopfes (1) ist
vollkommen geschützt.
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Figur 2 zeigt im Detail das Anbringen des Ringes (9) am oberen Teil des
Isolators (5). Dieser Metallring (9) weist ein Profil mit abgerundeten Kanten
auf. Dadurch wird die Bildung von Lichtbögen begrenzt, die für ihre
Entstehung scharfkantige oder zugespitzte Formen suchen.
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Der Außendurchmesser des Ringes (9) ist größer als derjenlge des
Auflagekranzes des Kopfes (1) Dies gestattet, im Falle des Entstehens eines
Lichtbogens, dessen Weg über den Ring (9) führen muß, die scharfe Kante (8) der
Metallschicht (7) zu schützen.
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Um zu gewährleisten, daß sich der Ring (9) am Hochspannungspotential
befindet und einen bedeutenden Strom ableiten kann, verbindet man den
Ring (9) vorteilhaft mit dem Stift (2) mittels eines Anschlußbandes (10) oder
eines anderen leitenden Teils, wie in Figur 2 gezeigt.
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Ferner ist darauf zu achten, keine ionisierenden Entladungen, welche
die Bildung von Lichtbögen im Inneren der
Hochspannungsanschlußklemme nach sich ziehen könnnen, zu erzeugen oder zumindest deren Erzeugung
nicht zu begünstigen. Hier besteht eine Lösung darin, zwischen dem Kanal (6)
und dem Ring (9) einen isolierenden Schirm (11) anzubringen.
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Der Ring (9) kann auch im Inneren des Isolators (5) durch eine
zylindrische Fläche (12) - wie in Figur 1 dargestellt -, die in einer Erweiterung (13)
endet, verlängert werden.
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Man könnte auch iitl unteren Teil des Isolators (5) einen den
isolierenden Schirm (11) verlängernden elektrischen Isolierzylinder (14) anbringen,
der sich zwischen dem Kanal (6) und dem mit seiner Verlängerung (12)
versehenen Ring (9) einfügt.
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Um die Dichtigkeit sicherzustellen und die Übertragung eines flüssigen
oder gasförmigen Dielektrikums, von dem das Innere des Isolators umgeben
ist, nach außen zu verhindern, setzt man zwischen dem isolierenden
Zylinder (14) und dem isolierenden Teil (16) des Sockels (4) eine Reihe von
Dichtungen (15) ein. Die beiden vorhergehenden Teile sind koaxial, was ein
Gleiten des Teils (14) in Teil (16) gestattet.
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Um die Dichtigkeit in bezug auf Isoliergase oder -flüssigkeiten zwischen
dem Kopf (1) und dem Isolator (5) zu gewährleisten, kann man auch in dem
Ring (9) einen O-Ring anbringen.
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In dem Beispiel der vorausgegangenen Figuren war der Kopf des
Gerätes, der die verschiedenen elektrischen Organe, wie
Hochspannungswicklung, Niederspannungswicklung und Kern, enthält, in dem Körper des
Geräts eingeschlossen, das heißt der Kopf (1) aus gegossenem Harz war am
oberen Teil des Gerätes angeordnet. Durchaus vorstellbar ist jedoch auch die
umgekehrte Bauweise, wie dies in Figur 3 dargestellt ist, wo der die
verschiedenen elektrischen Organe enthaltende Kopf (1) im unteren Teil des Gerätes
angeordnet ist. In diesem Fall wird der Anschlußstift (2) für die Hochspannung
durch Kontaktstücke (17 und 18) ersetzt, die auf der isolierenden Stütze (19)
befestigt werden die oben am Isolator (15) angebracht und mit dem Kopf (1)
durch elektrische Leiter verbunden wird, welche in den mittleren
Verbindungskanal (6) eingeführt werden.
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Die Magnetkerne, Primär- und Sekundärwicklungen sind in einem
gegossenen Gehäuse (3) eingelassen, welches im Kopf (1) angeordnet ist, der mit
einer leitenden, mit der Erde verbundenen Schicht (7) überzogen ist.
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Um zu vermeiden, daß zwischen den Hochspannungs-Kontaktstücken
(17 und 18) und der äußeren Oberfläche (7) des Kopfes (1) Lichtbögen
entstehen, wird zwischen denk Isolator (5) und dem Kopf (1) am unteren Teil des
genannten Isolators ein Ring (9) eingefügt, wie aus Figur 3 hervorgeht. Dieser
Ring (9) wird am Erdpotential angeschlossen und bildet daher einen
Schutzschirm gegenüber dem leitenden Film (7).
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Weitere, dem Fachmann verständliche Ausführungen der vorliegenden
Erfindung ließen sich ebenfalls ins Auge fassen, ohne deshalb den Rahmen
der durch die Patentansprüche beschriebenen vorliegenden Erfindung zu
verlassen.