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Flüssigkeitskühlung für den elektrischen Antriebsmotor einer Kreiselpumpe
Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitskühlung für einen eine Kreiselpumpe antreibenden
Elektromotor, bei welchem der Motorläufer mit vertikaler Achse oberhalb des Pumpenlaufrades
in einem mit der Pumpe kommunizierenden Raum angeordnet ist und sich innerhalb des
ringförmigen Magneteisens des Motorständers befindet.
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Elektrische Antriebsmotoren der erwähnten Art sind bisher nicht mit
einer besonderen Kühleinrichtung versehen worden. Obwohl der das Pumpenlaufrad enthaltende
Raum des Motors mit der Pumpe kommuniziert, kann die mit der Pumpe zu fördernde
Flüssigkeit nicht unmittelbar als Kühlmittel für den Motor benutzt werden, weil
man durch eine gasdichte Motorkonstruktion danach trachtet, im Innenraum des Motors
ein. Gaspolster oberhalb des Spiegels der Förderflüssigkeit zu schaffen, damit diese
nicht in, den Luftspalt zwischen den Magneteisenteilen des Ständers und des Läufers
eindringt. Dies ist wegen der in der Förderflüssigkeit allenfalls vorhandenen Verunreinigungen
in Form von Feststoffen nötig, die unter keinen Umständen in den engen Luftspalt
des Motors eintreten dürfen. Bei Verwendung moderner Isolationsmittel sind heute
zwar beträchtlich höhere Temperaturen zulässig als früher. Dennoch ist vielfach
eine spezielle Kühlung erwünscht, weil sie eine höhere Belastung des Motors bei
unveränderten Dimensionen ermöglicht.
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In elektrischen Antriebsmotoren von Kreiselpumpen zur Förderung von
chemisch aggressiven Medien, wie Säuren und'' Basen, ist es: bekannt, die Ständer-und
Läuferblechpakete mit einem widerstandsfähigen Überzug aus Kunststoff oder Emaille
zu versehen. Diese Schutzüberzüge haben jedoch nur eine begrenzte Temperaturbeständigkeit,
wenn sie bei den Wechseln von Erwärmung und Abkühlung vollkommen dicht bleiben sollen.
Eine Flüssigkeitskühlung der mit den Schutzüberzügen versehenen Motorteile drängt
sich daher auf, namentlich zwecks Kühlung des Motorläufers, von dem die entstehende
Wärme ohnehin nur schwer abgeführt werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Flüssigkeitskühlung
für den eine Kreiselpumpe antreibenden Elektromotor der eingangs genannten Gattung.
Die gefundene Lösung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß der Motorläufer
die Form einer nach oben offenen Glocke hat, deren Innenseite von der Kühlflüssigkeit
bespült wird', daß die Glocke an ihrem oberen Rand einen radial einwärts vorstehenden
Umfangswulst aufweist, der das Austreten der Flüssigkeit behindert, daß an dem Boden
der Glocke wenigstens eine Abflußöffnung vorgesehen ist und daß oberhalb des Elektromotors
Mittel zum dosierten Zuführen der Kühlflüssigkeit in den Innenraum der Glocke vorhanden
sind.
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Diese Ausbildung erlaubt eine wirksame Flüssigkeitskühlung des Motorläufers,
so daß seine Temperatur konstant etwa auf dem Wert der Verdampfungstemperatur der
Kühlflüssigkeit bleibt, während der übrige Innenraum des Motors mit Gas gefüllt
sein kann.
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Eine zusätzliche Kühlung des Magneteisens des Motorständers erzielt
man., wenn gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung unmittelbar über der oberen
Stirnfläche des Motorläufers im Lageiflansch ein Kühler zur Rückkondensation des
verdampften Läuferkühlmittels angeordnet ist. Die kondensierte Flüssigkeit tropft
dann auf die obere Stirnfläche des Läufers, wobei dieser weiterhin gekühlt und die
Flüssigkeit an das Magneteisen des Ständers geschleudert wird, um auch dort eine
Kühlwirkung herbeizuführen. Von besonderem Vorteil ist, daß nur destillierte und
somit von Verunreinigungen freie Kühlflüssigkeit in den Luftspalt zwischen Ständer
und "Läufer des Motors gelangt.
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Glockenförmige Motorläufer sind zwar für verschiedene Zwecke bekanntgeworden,
insbesondere bei Außenläufermotoren. Die bekannten Ausführungen
wurden
jedoch nicht mit nach oben offenere Glocke benutzt, und zudem war kein nach innen
vorstehender Umfangswulst am Rand der Glocke vorhanden, so d'aß die erfindungsgemäße
Flüssigkeits, kühlung nicht möglich war. Bei einem bekannten Motor ist zwar eine
Flüssigkeitskühlung vorgesehen, indem der ganze Innenraum des Motorgehäuses mit
Flüssigkeit gefüllt wird. Dies steht im Gegensatz zur Erfindung und bedingt, daß
die Flüssigkeit völlig frei von Verunreinigungen ist, welche den Spalt zwischen
Motorläufer und Ständer verstopfen könnten. Ferner kann bei der bekannten Kühlung
nicht von der Verdampfung der Kühlflüssigkeit Gebrauch gemacht werden; bei der Verdampfung
wird von der Flüssigkeit bekanntlich viel Wärme aufgenommen, während die Temperatur
konstant bleibt.
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Von dien bereits erwähnten, bekannten Schutzüberzügen bieten jene
aus Kunststoff nicht in gleichem Maße Schutz gegen die Einwirkungen von Säuren und
Basen wie ein: Schutzüberzug aus Glasbrand. Im Falle des erfindungsgemäßemglockenförmigen
Motorläufers muß dieser allseitig mit dem Überzug versehen werden, so daß der Schutzüberzug
erst angebracht werden kann, nachdem die Kurzschlußankerwicklung im Läufer fertiggestellt
ist. Da der überzog aus Glasbrand aber bei einer hohen Temperatur eingebrannt werden
muß, die nahe oder über dem Schmelzpunkt des Aluminiums liegt, müssen besondere
Maßnahmen getroffen werden, damit die Aluminiumwicklung beim Einbrennen des Schutzüberzuges
nicht wegschmilzt. Zur Überwindung dieser Schwierigkeit ist gemäß einem weiteren
Merkmal der Erfindung die Kurzschlußankerwicklung vollständig und dicht in das Läuferblechpaket
und den Läufertragkörper aus Materialien mit höherem Schmelzpunkt eingebettet, wodurch
es möglich wird, den so gebildeten glockenförmigen Motorläufer in bekannter Weise
allseitig mit dem aus Glasbrand bestehenden überzog zu versehen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an Hand der
Zeichnungen erläutert.
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Fig. 1 zeigt ein aus einer Kreiselpumpe und einem Elektromotor bestehendes
Pumpenaggregat, teils in Ansicht und teils im axialen Schnitt; Fig. 2 stellt einen
teilweisen Querschnitt nach der Linie II-II in Fig: 1 dar; Fig. 3 veranschaulicht
schematisch ein Anwendungsbeispiel dies Pumpenaggregates.
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Auf einem Traggestell 10 ist gemäß Fig. 1 ein Gehäuse 11 einer Kreiselpumpe
abgestützt, die unten eine Einlauföffnung 12 und seitlich einen Auslaufstutzen 13
aufweist. Nach oben hin ist das Pumpengehäuse 11 mit einem ringförmigen Deckel 14
versehen, der eine Trennwand zwischen der Pumpe und dem Elektromotor zum Antrieb
derselben bildet. Auf der unteren Endpartie einer der Pumpe und dem Motor gemeinsamen,
vertikalen Welle 15, deren Lagerung später erläutert wird, :sitzt ein Pumpenlaufrad
16, das durch eine außen konisch geformte Mutter 17 festgehalten ist, welche auf
einen Gewindeteil der Welle 15 aufgeschraubt ist.
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Das Magneteisen des Motorständers besteht aus zwei koaxial ineinander
angeordneten, ringförmigen Dynamoblechpaketen 21 und 22, von denen das innere zwischen
zwei Stützringen 23 und 24 gehalten ist. Der untere Stützring 23 sitzt auf dem Deckel
14 auf, wogegen auf dem oberen Stützring 24 ein Flansch 25 einer Lagermanschette
26 aufliegt, in welcher die Welle 15 drehbar gelagert ist. Das äußere Dynamobleehpaket
22 sitzt in einem hülsenförmigen Gehäuse 27 des Motors. Mit Hilfe von Schrauben
28 ist das Gehäuse am Flansch 25 befestigt und durch Gewindebolzen 29 und zugehörige
Muttern 30 mit dem Traggestell 10 verbunden, wodurch die Teile 10,11,14; 23, 21,
22, 24, 25 und 27 zusammengehalten sind. Die Stützringe 23 und 24 ragen axial über
die Köpfe der elektrischen. Ständerwicklung 31 hinaus. Die letztere ist gemäß Fig.
2 in Nuten 32 untergebracht, die im inneren Magneteisenteil 21 derart angeordnet
sind, daß sie radial nach außen hin offen und gegen den Luftspalt zwischen dem Ständer
und dem Läufer des Motors geschlossen sind. Die Wicklungsstäbe können daher vom
äußeren Umfang des inneren Magneteisenteiles 21 her in die Nuten 32 eingelegt werden,
bevor der äußere Magneteisenteil 22 darübergeschoben wird. Mit Hilfe von Nutenkeilen
33 wird die Wicklung 31 in den Nuten 32 gesichert.
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Das Magneteisen 35 des Motorläufers ist durch ein ringförmiges Dynamoblechpaket
gebildet und weist gegen den Luftspalt des. Motors. hin geschlossene Nuten 36 auf,
wie Fig. 2 zeigt. In den Nuten 36 befinden sich die aus Aluminium bestehenden Leiter
37 einer Kurzschlußankerwicklung. Die Enden der Leiter 37 sind durch Ringe 38, die
ebenfalls aus Aluminium bestehen, elektrisch leitend miteinander verbunden. Das
Magneteisen 35 und die Kurzschlußankerwicklung 37, 38 sind in. einen Läufertragkörper
39 eingebettet, der die Kurzschlußankerwicklung vollständig umschließt. Sowohl das
Magneteisen 35 als auch der Läufertragkörper 39 haben einen beträchtlich höheren
Schmelzpunkt als die Kurzschlußankerwicklung 37, 38. Der ganze Motorläufer hat die
Form einer nach oben offenen Glocke, an deren Boden eine auf der Welle 15 sitzende
Nabe 40 ausgebildet ist. Der Boden der erwähnten. Glocke weist wenige Duschbrechungen
41 auf; die sich in einigem Abstand von der gegen die Lagermanschette 26 gekehrten
zylindrischen Innenfläche des Läufertragkörpers 39 befinden. Gegen das obere Ende
des Motorläufers weist die Innenfläche 42 der Glocke einen radial einwärts vorstehenden
Umfangswulst 43 auf, der bis nahe an die Manschette 26 heranreicht.
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Unmittelbar über der oberen Stirnfläche des Motorläufers ist im Flansch
25 der Lagermanschette 26 ein ringförmiger Hohlraum 45 vorhanden, der als Kühler
dient und zum Durchleiten eines Kühlmediums Anschlüsse für Rohrleitungen aufweist.
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Auf der oberen Endpartie der Welle 15 ist mittels einer Mutter 46
eine Hülse 47 mit einem Außenflansch 48 befestigt. Die Hülse 47 ist von einer Lagerhülse
50 umgeben, die im oberen Teil der Manschette 26 fest angeordnet ist. Der Flansch
48 ist auf einem Spurring 51 abgestützt, der mittels eines Halteringes 52 auf einem
Endflansch 53 der Manschette 26 zentriert ist. Das ganze Spurlager ist durch einen
auf dem Endflansch 53 aufgesetzten, haubenförmigen Deckel 54 abgeschlossen. Ein
Kanal 55 zum Zuführen einer Schmierflüssigkeit mündet in einen Ringraum zwischen
der Lagerhülse 50 und dem Spurring 51 ein. Ein anderer Kanal 56 für Schmierflüssigkeit
führt vom Hohlraum unter dem Deckel 54 zu einem die Welle 15 umgebenden ringförmigem
Hohlraum unterhalb der Lagerhülse 50. Im unteren Endteil der Manschette 26 befindet
sich eine innen hohlkegelförmige Lagerhülse 58, in welcher eine auf der Welle 15
festsitzende, außen kegelförmige Hülse 59 drehbar gelagert ist.
Der
Deckel 14 weist an seinem Umfang eine Gewindebohrung 60 auf, die von dem den Motorläufer
enthaltenden Raum nach außen führt.
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Das Pumpengehäuse 11, der Deckel 14, die Welle 15, das Laufrad 16,
die Mutter 17, der Flansch 25 und die Manschette 26, die Mutter 46, die Lagerhülse
47 mit Flansch 48, die Lagerhülse 50, die Ringe 51 und 52, der Deckel 54 sowie die
Hülsen 58 und 59 bestehen. aus Materialien, die gegenüber aggressiven chemischen
Substanzen widerstandsfähig sind. Die geforderten, magnetischen, Eigenschaften der
Dynamoblechpakete 21, 22 und 35 machen es jedoch unmöglich, auch die Magneteisenteile
aus gegen aggressive chemische Substanzen widerstandsfähigem Werkstoff herzustellen.
Aus diesem Grunde sind besondere Maßnahmen zum Schutze der Magneteisenteile getroffen.
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Die dem Luftspalt zugekehrte Innenfläche des Ständereisenpaketes 21
und die in, gleicher Flucht liegenden Flächen der Stützringe 23 und 24 sind mit
einem gegen Säuren und Basen widerstandsfähigen Überzug 61 aus Glasbrand versehen,
der bis über die axialen Stirnenden der Stützringe 23 und 24 fortgesetzt ist.
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In analoger Weise ist der gesamte Motorläufer 35, 37, 38, 39 mit einem
gegen Säuren und Basen widerstandsfähigen Überzug 62 aus Glasbrand überzogen.
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Glasbrandüberzüge an Gegenständen aller Art müssen bekanntlich bei
verhältnismäßig hoher Temperatur eingebrannt werden. Dies geschieht bei den Teilen
21, 23 und 24, bevor die Wicklung 31 in die nach außen offenen Nuten 32 eingelegt
wird. Beim Motorläufer ruß die Kurzschlußankerwicklung 37, 38 jedoch bereits vordem
Anbringen und Einbrennen des Überzuges 62 eingebaut sein. Bei der für das Einbrennen
erforderlichen Temperatur wird das Alu-
minium der Kurzschlußankerwicklung
schmelzen oder doch zumindest sehr weich werden. Das schadet jedoch nichts, da das
Aluminium überall von Material mit höherem Schmelzunkt umgeben ist und daher nicht
auslaufen kann.
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Am Pumpenlaufrad 16 ist ein Hohlkörper 65 ausgebildet, der mit dem
Deckel 14 eine Labyrin.thdichtung 66 bildet und zugleich als zusätzliches Kreiselföräerrad
ausgebildet ist, um die in den den Motorläufer enthaltenden Raum des Motors eingedrungene
Flüssigkeit in den Druckraum der Pumpe zu fördern.
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Ein Anwendungsbeispiel des beschriebenen Pumpenaggregates ist in Fig.
3 veranschaulicht. Die Einlauföffnung 12 der Pumpe ist durch eine Rohrleitung 70
mit dem Auslaß eines Chemiegefäßes 71 verbunden, in welchem beispielsweise eine
Säure enthalten ist, die ständig umgewälzt werden soll. Vom Auslaufstutzen 13 der
Pumpe führt eine andere Rohrleitung 73 zum oberen Teil des Gefäßes 71 zurück. Ferner
weist die Rohrleitung 73 eine Abzweigung 74 auf, die zu einem nur schematisch angedeuteten
Filter 75 führt, der seinerseits durch eine Rohrleitung 76 mit dem bereits erwähnten
Kanal 55 für eine Schmierflüssigkeit in Verbindung steht. Die Lager der Welle
15 werden somit durch die gleiche chemisch aggressivo Flüssigkeit geschmiert, welche
mittels der Pumpe gefördert werden soll. An die ebenfalls schon beschriebene Gewindebohrung
60 ist eine Rohrleitung 77 angeschlossen, welche zum oberen Teil des Gefäßes 71
führt. Der als Kühler dienende Hohlraum 45 des Motors ist durch eine Rohrleitung
78 mit der Druckseite einer kleinen Hilfspumpe verbunden, die mit einem Reservoir
80 für ein Kühlmedium zusammengebaut ist. Für den Rücklauf des Kühlmediums vom Hohlraum
45 zum Rerservoir 80 ist eine weitere Rohrleitung 81 vorhanden.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Anlage und insbesondere der Flüssigkeitskühlung
des Elektromotors ist wie folgt: Wenn die Wicklung 31 des Motors unter Strom gesetzt
ist, drehen sich der Motorläufer, die Welle 15 und das Pumpenlaufrad 16. Es wird
dadurch Flüssigkeit aus dem Behälter 71 durch die Leitung 70, die Pumpe und die
Leitung 73 zum Behälter 71 zurückgefördert. Ein kleinerer Teil der geförderten Flüssigkeitsmenge
wird über die Leitung 74, den Filter 75 und die Leitung 76 in den Schmiermittelkanal
55 geleitet und gelangt von, dort zu den Gleitflächen zwischen den Lagerhülsen 47
und 50 .sowie zwischen dem Flansch 48 und dem Spurring 51, wodurch die betreffenden
Lager geschmiert werden. Infolge ZentTifugalwirkung des Flansches. 48 wird ein erheblicher
Teil der Schmierflüssigkeit zwischen dem Flansch 48 und dem Spurring 51 radial nach
außen in. den, Raum unter dem haubenförmigen Deckel 54 gefördert. Durch den Kanal
56 fließt nachhher die Schmierflüssigkeit in den die Welle 15 unmittelbar umgebenden
Ringraum unterhalb der Lagerhülsen 47 und 50, um auf diese Weise auch zu den kegeligen
Lagerhülsen 58 und 59 zu gelangen und die Gleitflächen zwischen diesen Hülsen zu
schmieren. Da die Schmierflüssigkeit von der Druckseite der Pumpe abgezweigt wird,
steht sie unter einem beträchtlichen statischen Druck. Durch den Flüssigkeitsfilm
zwischen. dem Flansch 48 und dem Spurring 51 wird der gesamte Läufer des Pumpenaggregates
aus seiner Stillstands-Ruhelage in axialer Richtung etwas angehoben, soweit es die
kege, ligen Lagerringe 58 und 59 bzw. der zwischen denselben sich bildende Flüssigkeitsfilm
gestatten. Es stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein.
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Die zwischen den Lagerhülsen 58 und 59 nach unten austretende Flüssigkeit
gelangt auf den Boden der durch den Motorläufer gebildeten Glocke und wird dann,
infolge Zenarifugalwirkung gegen die zylindrische Innenfläche 42 des Läufertragkörpers
39, d. h. gegen den dortigen Überzug 62, geschleudert und auf der genannten Fläche
ausgebreitet. Der Umfangswulst 43 verhindert, daß die Flüssigkeit gegen den Luftspalt
zwischen den Magneteisenteilen des Motorläufers und des Motorständers ausgeschleudert
wird. Im Betrieb des Motors erzeugt der Motorläufer Wärme, die größtenteils durch
den Flüssigkeitsring an der zylindrischen Innenfläche des Motorläufers aufgenommen
wird, wobei die Flüssigkeit verdampft und eine der Verdampfungstemperatur entsprechende,
im wesentlichen konstante Temperatur des Motorläufers erzielt wird. Die nach oben
steigenden Dämpfe werden durch das den ringförmigen Hohlraum 45 durchströmende Medium
gekühlt und die Flüssigkeit rückkondensiert. Die Kondensattropfen fallen dabei auf
die obere Stirnfläche des Motorläufers und werden radial auswärts gegen den Belag
61 des Motorständers geschleudert, welcher dadurch ebenfalls, eine Kühlung erfährt.
Dia auf die beschriebene Weise nur verdampfte und wieder kondensierte Flüssigkeit
in den Luftspalt zwischen den Magneteisenteilen 21 und: 35 des Motors gelangt, ist
diese Flüssigkeit völlig frei von Fremdbestandteilen und kann somit keine Verstopfung
des engen Luftspaltes auftreten. Der Belag 61 auf den Stützringen 23 und 24 verhindert
den. Zutritt
von Flüssigkeit in den die Wicklung 31 enthaltenden
Raum.
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Die den, Luftspalt nach unten verlassende Kühlflüssigkeit sammelt
sich auf d'emDeckel 14. Der einen Bestandteil des Pumpenlaufrades 16 bildende Hohlkörper
65 fördert die sich oberhalb des Deckels 14 ansammelnde Flüssigkeit in den Druckraum
dar Pumpe. Gelängt. zwischen den kegeligen Lagerringen 58 und 59 mehr Flüssigkeit
in den Innenraum des glockenförmigen Motorläufers als verdampft, so kann die überschüssige
Flüssigkeit durch die Öffnungen 41 nach der Außenseite der Läuferglocke abfließen,
wonach diese Flüssigkeit ebenfalls mittels des Hohlkörpers 65 in den Druckraum der
Pumpe gefördert wird.
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Setzt man das Pumpenaggregat still, so gelangt der Innenraum des Pumpengehäuses
11 unter den statischen Druck der im Behälter 71 vorhandenen Flüssigkeit. Da jetzt
eine Förderwirkung des Hohlkörpers 65 fehlt, steigt die Flüssigkeit aus dem das
Pumpenlaufrad 16 enthaltenden Raum in den den Motorläufer enthaltenden Raum hoch,
wobei das dort vorhandene Gas, z. B. Luft, komprimiere wird und ein Luftpolster
bildet, das dem weiteren Ansteigen des Flüssigkeitsspiegels entgegenwirkt. Die Stützringe
23 und 24 sowie der Überzug 61 verhindern: das Eindringen von Flüssigkeit in den
die Wicklung 31 enthaltenden Raum. Die in die Gewindebohrung 60 einmündende Leitung
77 ermöglicht das Nachströmen von Gas oder Luft in den den Motorläufer enthaltenden
Raum, wenn das Pumpenaggregat wieder in Betrieb gesetzt und dadurch aus dem genannten
Raum die Flüssigkeit mittels des Hohlkörpers 65 weggefördert wird.