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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen von extrudierten Hohlprofi-
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- Herstellung eines Gas-Flüssigkeits-Gemischs vorzugsweise eines Luft-Wasser-Ge- misches ;
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Innere einer Hohlkammer des extrudierten Profils öffnet ; - Eindüsen des Gas-Flüssigkeit-Gemischs aus der Düse in die Hohlkammer.
Bei der Herstellung von Kunststoffprofilen, wie sie bei der Herstellung von Fenstern, Türen und dgl. verwendet werden, wird ein Profilstrang im teigigen Zustand aus einem Extruder
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kühlt und in eine genau definierte Form gebracht. In solchen Kalibrierwerkzeugen wird der Profilstrang durch Vakuum an Formfläche des Werkzeugs angesaugt, wodurch einerseits die Form des Profils genau festgelegt wird und andererseits durch den Kontakt mit den gekühlten Formfläche eine Abkühlung des Profils bewirkt wird. Naturgemäss erfolgt eine solche Abkühlung nur von aussen, so dass die Innenstege des Profils relativ lange weich bleiben, da die Wärme durch die relativ schlecht wärmeleitende PVC-Masse hindurch abgeführt werden muss.
Bei höheren Extrusionsgeschwindigkeiten und einem höheren Vakuum in den Kalibrierwerkzeugen kann dies zu Problemen führen.
Um auch aus den inneren Bereichen des Profils die Wärme schnell abführen zu können, sind Innenkühlungsvorrichtungen vorgeschlagen worden.
Die DE 24 55 779 A beschreibt eine Vorrichtung zum Abkühlen von Rohren, bei der in das Rohr ein Kühlmedium eingebracht wird, das an der heissen Innenfläche des Rohres verdampft.
Zusätzlich wird Druckluft eingeblasen, die das verdampfte Kühlmedium durch eine Rückführleitung herausdrückt. Zur stromabwärtigen Seite ist dabei der Innenraum des Rohres durch einen Schleppstopfen verschlossen.
Eine ähnliche Lösung, bei der ein Kühlmedium in den Innenraum eines Profils eingebracht wird, und wobei der entstehende Dampf abgesaugt wird, ist in der EP 0 698 471 A beschrieben. Problematisch bei diesen bekannten Lösungen ist, dass die zugeführte Flüssigkeitsmenge zur Kühlung des Profils relativ gering sein muss. Dies hat seinen Grund teilweise darin, dass eine schockartige Abkühlung des Profils nicht günstig ist. Wesentlich bedeutender ist jedoch, dass durch die Zufuhr des Kühlmittels, die zwangsläufig durch die Extruder-Düse hindurch
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Aus der FR 2 512 391 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem das Kühlmittel vor dem Eintritt in den Extruder bzw. die Extruder-Düse zerstäubt wird.
Dies bedeutet, dass das Kühlmittel in der
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Form von kleinen Tröpfchen in den Hohlraum des Profils eingebracht wird und dort leicht zu verteilen ist. Bei dieser Lösung verbleibt jedoch der entstehende Dampf im Hohlraum des Profils und kann erst beim Zerschneiden des Profilstranges entweichen. Daher kommt es zu einer Rückkondensation, was bedeutet, dass die hergestellten Profilabschnitte im inneren Bereich feucht sind. Im Extremfall kann dies dazu führen, dass noch bei der Fensterherstellung Feuchtigkeit in den Innenräumen des Profils vorhanden ist.
Die EP 0 165 068 A zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffrohres, bei dem es hauptsächlich darauf ankommt, eine extrem glatte Innenfläche zu erzielen. Bei diesem Verfahren wird unter anderem ein Kühlmedium, gegebenenfalls mit Druckluft Unterstützung,
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näheren Angaben gemacht.
Die DE 26 34 580 A zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Profilen, wobei ein Wasser-Luft-Gemisch in das Innere des Profils eingeblasen wird. Eine Absaugung ist dabei nicht vorgesehen.
Die AT 348 743 B zeigt das Einspritzen von Kühlwasser in das Innere eines Profils und das anschliessende Absaugen des Kühlwassers.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der oben beschriebenen Art so weiterzubilden, dass eine wirksame Kühlung des Hohlprofils auch von innen her möglich ist. Dabei soll die Extruder-Düse thermisch möglichst wenig beeinflusst werden, wobei sichergestellt sein muss, dass das Rohr nach dem Verlassen der Kalibrierung innen im wesentlichen trocken ist.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass durch eine Öffnung Gas aus der Hohlkammer durch den Extruder hindurch abgesaugt wird, wobei vorzugsweise das Volumen der abgesaugten Luftmenge grösser ist als das des zugeführten Gas-Flüssigkeits-Gemischs.
Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist, dass ein Nebel, der aus einem zerstäubten Kühlmittel besteht, in den Hohlraum des Profils eingebracht wird und nach einer kurzen Verweilzeit aus diesem Hohlraum wieder abgesaugt wird. Üblicherweise wird als Kühlmittel Wasser verwendet, das in Luft als Trägergas in feiner Verteilung vorliegt. In überraschender Weise hat sich gezeigt, dass bei einem solchen Verfahren mit äusserst geringen Mengen des Kühlmediums deutliche Abkühlungseffekte erzielt werden können. Die Tatsache, dass nur relativ wenig Kühlmedium zugeführt werden muss, besitzt einerseits den Vorteil, dass die Extruder-Düse thermisch wenig beeinflusst wird. Aufgrund der beengten Platzverhältnisse in einer Extruder-Düse ist es nicht möglich, die Zufuhrleitung für das Kühlmedium in einer grosszügigen Weise thermisch zu isolieren.
Daher bedeutet ein geringerer Mengendurchsatz von Kühlmedium auch eine geringere Beeinflussung und Abkühlung der Extruder-Düse. Andererseits verringert eine geringere Menge von Kühlmedium auch die Gefahr, dass das austretende Profil nach dem Kalibrieren an der Innenseite noch feucht ist. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Strömungsgeschwindigkeit der von der stromabwärtigen Seite zuströmenden Luft in Bezug auf das Profil grösser ist als die Extrusionsgeschwindigkeit. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass sich das eingebrachte Kühlmittel stromabwärts nur bis
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zu einem bestimmten Punkt hin ausbreiten kann, und dass stromabwärts von diesem Punkt
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kammer des Profils hervorgerufen wird, wobei diese Strömung im wesentlichen entgegensetzt der Extrusionsrichtung erfolgt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass gleichzeitig mit der Zufuhr des Gas-Flüssigkeits-Gemischs Druckluft in die Hohlkammer des Profils eingeblasen wird. Durch die Zufuhr von Druckluft kann eine zusätzliche
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Zerstäubungswirkung erzielt werden. Weiters kann auf diese Weise leicht erreicht werden, dass durch die Druckluft an der stromabwärtigen Seite des eingedüsten Kühlmittels eventuell vorhandene Feuchtigkeitsreste aufgetrocknet werden. Besonders günstig ist bei der Druckluftzufuhr weiters die Möglichkeit, die Förderwirkung an einer gemeinsamen Düsenöffnung auszunützen, so dass die Zufuhr des Gas-Flüssigkeits-Gemischs auch wesentlich durch diese Förderwirkung unterstützt werden kann.
Eine sehr wirksame und einfache Zerstäubung kann durch ein piezoelektrisch betriebenes Zer stäuberelement erreicht werden. Idealerweise sollte die erzielte Tropfengrösse 40 Jlm oder besonders vorzugsweise zwischen 20 um und 40 um sein. Piezoektrische Zerstäuberelemente ermöglichen die Erzielung von solch kleinen Tropfendurchmessern. In ähnlicher Weise kanr. auch durch Verwendung von Überschalldüsen in Verbindung mit Tropfenabscheidern eine solche Zerstäubungsgüte erreicht werden.
Bei einem piezoelektrischen Zerstäuber werden mit Hilfe von piezokeramischen Elementen, die mit einer entsprechenden Wechselspannung angesteuert werden, mechanische Schwin- gungen erzeugt. Diese Schwingungen werden verstärkt zu einem Zerstäuberteller weitergeleitet, wodurch ein dort vorhandener Flüssigkeitsfilm mit geringer Schichtdicke zu feinen Kapillarwellen angeregt wird, von deren Spitze feine Tröpfchen abgeschnürt und in parabelförmigen Flugbahnen weggeschleudert werden. Ein solcher Flüssigkeitsfilm entsteht beispielsweise durch gleichmässige Verteilung der drucklos zugeführten Flüssigkeitsmenge auf der Zerstäuberoberfläche. Die Arbeitsfrequenz solcher piezoelektrischen Zerstäuberelemente liegt üblicherweise in einem Bereich bis zu 100 kHz.
Weiters wurde gefunden, dass sich in überraschender Weise das Verhältnis zwischen Kühlwirkung des Profils und thermischer Beeinflussung der Extruder-Düse dann besonders günstig darstellt, wenn die Temperatur des zugeführten Gas-Flüssigkeits-Gemischs in einem Bereich zwischen 60 und 90 , vorzugsweise bei etwa 80 , liegt. Im allgemeinen wird man bei der Aufgabe, einen bestimmten Bauteil zu kühlen, bestrebt sein, ein möglichst kaltes Kühlmittel zu verwenden. Das Kühlmittel bei der Extrusion von Hohlprofilen liegt üblicherweise unter Raumtemperatur oder darunter. Es erscheint daher auf den ersten Blick nicht einsichtig, ein Kühlmittel höherer Temperatur zu verwenden. Eine nähere Betrachtung zeigt jedoch, dass die Kühlwirkung des Gas-Flüssigkeits-Gemischs hauptsächlich auf der Verdampfungswärme des Kühlmittels beruht.
Daher ist die Zufuhr des vergleichsweise warmen Kühlmittels mit nur einem relativ geringen Verlust an Kühlwirkung verbunden. Der Wärmeübergang zwischen der Kühlmittelleitung und der Extruder-Düse dürfte jedoch hauptsächlich von der Temperaturdif- ferenz zwischen Kühlmedium und Extruder-Düse abhängen. Durch die Verwendung des wärmeren Kühlmittels kann dieser Wärmeübergang daher deutlich verringert werden. We- sentlich am Effekt ist jedoch, dass die verringerte Kühlwirkung des wannen Kühlmittels durch einen geringfügig erhöhten Mengenstrom ausgeglichen werden kann. Die Beeinflussung der
Extruder-Düse durch diesen erhöhten Mengenstrom ist jedoch deutlich geringer als die posi- tive Wirkung der geringeren Temperaturdifferenz. Daher kann insgesamt eine deutliche Ver- besserung der Extrusionsqualität erreicht werden.
Die höhere Temperatur besitzt weiters den
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Vorteil, dass der Verdampfungspunkt schneller erreicht wird und die Gefahr der Tropfenbildung minimiert wird.
Eine besonders einfache und günstige Führung des Verfahrens kann dadurch erreicht werden, dass die Zufuhr des Gas-Flüssigkeits-Gemischs nur über den Unterdruck an der Düsenspitze erfolgt. Besonders vorteilhaft ist dabei neben der Einfachheit des Systems, die Fähigkeit zur selbstregulierenden Arbeitsweise. Dies bedeutet, dass nur die Gasmenge samt Kühlmittel in die Hohlkammer des Profils eingebracht wird, die auch zuverlässig abgesaugt werden kann. Aufwendige Vorkehrungen zum Verhindern von überschüssigem Kühlmedium können dadurch vermieden werden. Insbesonders wird durch diese Massnahme sichergestellt, dass d : abgesaugte Gasmenge stets grösser als die zugeführte Gasmenge ist, wie dies für die Erfindung wesentlich ist.
Weiters betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Abkühlen von extrudierten Hohlprofilen mit einem Extruder, zur Herstellung eines Kunststoffprofilstranges, mit einer Zerstäubungseinrichtung zur Herstellung eines Gas-Flüssigkeits-Gemischs mit einer Leitung, die sich von der Zerstäubungseinrichtung durch den Extruder hindurch zu einer Düse erstreckt, die sich im Betrieb des Extruders in das Innere einer Hohlkammer des extrudierten Profils öffnet. Mit Extruder ist in diesem Zusammenhang der die Extruderschnecke beinhaltende Bauteil und die daran anschliessende Düse bezeichnet.
Erfindungsgemäss ist diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass in dem Extruder eine weitere Leitung vorgesehen ist, die die Hohlkammer mit einer Absaugeinrichtung verbindet, die dazu ausgebildet ist, aus der Hohlkammer Luft abzusaugen, wobei vorzugsweise die volumetrische Absaugleistung der Absaugeinrichtung grösser ist als das zugeführte Gasflüssigkeitsgemisch.
Die thermische Beeinflussung der Extruder-Düse kann insbesonders dadurch minimiert werden, dass die Leitung zum Absaugen als Rohr ausgebildet ist, das sich konzentrisch um ein Rohr erstreckt, das die Leitung zur Zufuhr des Gas-Flüssigkeits-Gemischs darstellt. Weiters kann auf diese Weise die bauliche Beeinflussung des Extruders auf ein Mindestmass beschränkt werden.
Eine konstruktiv besonders günstige Ausführungsvariante der Erfindung ist dadurch gegeben, dass weiters ein Rohr zur Zufuhr von Druckluft vorgesehen ist, das sich vorzugsweise konzentrisch um zu dem Rohr zur Zufuhr des Gas-Flüssigkeits-Gemischs erstreckt. Die Innenkontur einer Hohlkammer eines Profils wird an der Extruder-Düse durch einen Dom vorgegeben. Besonders bei Profilen kleinen Querschnitts sind die Platzverhältnisse in diesen Domen sehr beengt. Stets ist dabei mindestens eine Schraube vorzusehen, durch die ein solcher Dom am Körper der Extruder-Düse befestigt ist. Durch die Verwendung einer hohl gebohrten Schraube kann einerseits ein ausreichender Durchmesser der Schraube sichergestellt werden und andererseits ein ausreichender Leitungsquerschnitt für die hindurchzuführenden Rohre erreicht werden.
In der Folge wird die vorliegende Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Aus- führungsbeispiele näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Extrusionslinie, bei der die vorliegende Erfindung angewendet werden kann. Fig. 2 stellt eine seitliche Ansicht eines Extruders dar, der entsprechend der erfindungsgemässen Vorrichtung ausgebildet ist, Fig. 3 zeigt ein prinzipielles Schaltbild des erfindungsgemässen Verfahrens und der erfindungsgemässen Vorrichtung, Fig. 4 zeigt ein Detail einer Ausführungsvariante der erfindungsgemässen Vorrichtung und Fig. 5 und 6 zeigen zwei verschiedene Ausführungsvarianten der Extruder-Düse einer erfindungsgemässen Vorrichtung in einer Stimansicht.
In der Fig. 1 ist eine Extrusionslinie dargestellt, wie sie allgemein zur Herstellung von PVC- Profilen verwendet wird, wie sie in der Fensterindustrie benötigt werden. Die Extrusionslinb der Fig. 1 besteht allgemein aus einem Extruder 100, einer Kalibrier-und Kühlvorrichtung 200, einem Raupenabzug 300, einer Säge 400 und einer Transportvorrichtung 500. In dem Extruder 100 wird Kunststoffgranulat in einen Zuführtrichter 101 eingeführt, geschmolzen und durch eine nicht dargestellte Extruderschnecke in eine Extruder-Düse l gepresst. Der aus der Extruder-Düse l austretende heisse Profilstrang wird in der Kalibrier- und Kühlvorrichtung 200 auf die erforderliche Dimension gebracht und durch Abkühlung verfestigt.
Die weiteren Vorrichtungen und Vorgänge sind allgemein bekannt, und werden durch die vorliegende Erfindung nicht unmittelbar betroffen. Daher ist eine weitere Beschreibung an dieser Stelle nicht erforderlich.
In der Fig. 2 ist ein erfindungsgemässer Extruder detaillierter dargestellt. Das in den Zufuhrtrichter 101 zugeführte Kunststoffgranulat wird durch einen Fördermotor 102 in den Hauptkörper 103 des Extruders eingebracht, in dem das Granulat geschmolzen wird und durch nicht dargestellte Schnecken zu einer Extruder-Düse l gefördert wird. Über eine Leitung 27 wird Wasser-Luft-Gemisch von einem Zerstäuber 20, dem ein Verdampfer 33 vorgeschaltet ist, in die Extruder-Düse l eingeführt. Über eine Rohrleitung 28 wird aus dem Profil Gas abgesaugt, was durch eine Vakuumpumpe 30 bewerkstelligt wird. Ein Wärmetauscher 29 nützt die Wärme des abgesaugten Gases zur Erwärmung des zugeführten Gasflüssigkeitsgemisches.
In der Fig. 3 ist schematisch ein Detail einer Ausführungsvariante der Erfindung dargestellt.
Mit der Extruder-Düse 1 ist eine Zerstäubungseinrichtung 20 verbunden. Die Zerstäubungseinrichtung 20 besitzt eine Zuleitung für Kühlwasser, die zu einem piezoelektrischen Zerstäuber 22 führt. Der piezoelektrische Zerstäuber 22 ist in einem drucklosen Sammelbehälter 23 angeordnet, der an seiner Unterseite einen Ablauf 24 für Kondenswasser aufweist. Ein Druckregelungsventil 25 dient dazu, den Innenraum des Behälters 23 im wesentlichen auf Umgebungsdruck zu halten. Eine Temperierhülse 26 umgibt einen Abschnitt einer Leitung 27 in der das Wasser-Luft-Gemisch vom Zerstäuber 22 in den Extruder 1 geführt wird. Der Spalt 11 mündet auf der stromaufwärtigen Seite des Extruders 1 in eine Rohrleitung 28, die zu einem
Wärmetauscher 29 führt.
Eine Vakuumpumpe 30 stellt den zur Absaugung erforderlichen
Unterdruck her und gewährleistet in allen Betriebszuständen ein grösseres Absaugvolumen als an Kühlmedien zugeführt wird. In den Wärmetauscher 29 wird Kühlwasser, entsprechend dem Pfeil 31, zugeführt und entsprechend dem Pfeil 32 abgeführt. Das auf diese Weise vor- gewärmte Kühlwasser wird über die Leitung 21 zu dem piezoelektrischen Zerstäuber 22 ge- führt. Die Temperatur des Wasser-Luft-Gemischs wird auf diese Weise auf einem Wert von
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etwa 800 gehalten. Auf diese Weise kann die thermische Beeinflussung des Extruders l gering gehalten werden. Alternativ dazu kann der Wärmetauscher auch nach dem Zerstäuber angeordnet sein.
In der Fig. 4 ist ein teilweiser Schnitt einer Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung dargestellt. Innerhalb der Extruder-Düse I, die eine Frontplatte la aufweist, die auf einer Basis lb befestigt ist, liegt ein Kunststoffmaterial, aus dem das Profil herzustellen ist, in einem Kanal 3 in zähflüssiger Form vor. Nach dem Austritt an der Stirnfläche 4 des Extruders 1 liegt das Profil 2 in einer teigigen, noch nicht verfestigten Form vor. In an sich bekannter Weisen tritt das Profil 2 im Anschluss an den Extruder I in eine Trockenkalibriervorrichtung ein, aus Vereinfachungsgründen hier nicht dargestellt ist. Zur Formung der inneren Oberfläche 5 des Profils 2 ist in der Extruder-Düse 1 ein Dom 6 angeordnet.
Der Dom 6 besteht aus einem vorderen Teil 6a und einem hinteren Teil 6b an dem der vordere Teil 6a mit einer Schraube 7 befestigt ist. Im Inneren der hohlgebohrten Schraube 7 ist ein erstes Rohr 9 angeordnet, dem sich konzentrisch ein weiteres Rohr 10 befindet. Zwischen dem äusseren Umfang des ersten Rohres 9 und der Schraube 7 ist ein ringförmiger Spalt 11 ausgebildet, der sich zur Stirnfläche 4 der Extruder-Düse 1 hin konisch erweitert. Die Öffnung 12 des inneren Rohres 10 ist stromaufwärts der Öffnung 13 des äusseren Rohres 9 ausgebildet, die die Düse für das Wasser-Luft-Gemisch darstellt. Durch das innere Rohr 10 wird Pressluft in die Hohlkammer 14 eingeblasen, die durch das Profil 2 umschlossen ist.
Da die Öffnung 12 des inneren Rohres 10 noch innerhalb des ersten Rohres 9 angeordnet ist, wird in diesem Bereich ein Unterdruck erzeugt. Dieser Unterdruck saugt das Wasser-Luft-Gemisch, das durch das erste Rohr 9 zugeführt wird, aus diesem in die Hohlkammer 14. Gleichzeitig wird durch den Spalt 11, der eine konische Erweiterung 8 besitzt, das Gas aus der Hohlkammer 14 abgesaugt. Die abgesaugte Gasmenge wird dabei so eingestellt, dass das Volumen des abgesaugten Gases grösser ist, als die Summe der Volumina von Pressluft und Gas-Flüssigkeits-Gemisch, und zwar auch unter der Berücksichtigung der Tatsache, dass zumindest ein Teil des der Kühlflüssigkeit des GasFlüssigkeits-Gemischs an der heissen Innenwand des Profils 2 verdampft.
Auf diese Weise wird erreicht, dass in ausreichender Entfernung stromabwärts von den Öffnungen 12,13 eine Globalströmung zum Extruder hin hervorgerufen wird. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich Flüssigkeitsteilchen über die Kalibrierung hinaus ausbreiten und das Profil am Ende des Kühl- und Kalibrierschrittes an der Innenseite feucht ist.
In der Fig. 5 ist die Stirnfläche einer erfindungsgemässen Extruder-Düse dargestellt. Schrauben 40 dienen zur Herstellung des inneren Zusammenhangs der Extruder-Düse 1. Der Extruderspalt 41 besitzt die Form des herzustellenden Profils, wobei gegebenenfalls gewisse dimensionsmässige Abweichungen vorliegen können, die durch die anschliessenden Kühl- und Kalibriervorgänge ausgeglichen werden. Durch die Stege des Profils wird der Innenraum des Profils in mehrere Hohlkammern unterteilt, die in der Extruder-Düse I den Domen 42,43, 44 und 45 entsprechen. In den Domen 42 und 43 der grösseren Hohlkammern des Profils sind die erfindungsgemässen Vorrichtungen zur Innenkühlung vorgesehen.
Auf diese Weise können alle wesentlichen Abschnitte des Profils, und zwar insbesonders auch die von aussen nicht zugänglichen Innenstege, einer wirksamen Kühlung unterworfen werden.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, ein extrudiertes Hohlprofil auch an der Innenseite wirksam zu kühlen. Dabei kann die Beeinflussung des Extruders durch das Kühlmedium gering gehalten werden.