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Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Lagerbehältern für Flüssigkeiten, insbesondere ein Verfahren für einen kontinuierlichen Betrieb und insbesondere für Flüssigkeiten, die zeitabhängige Eigenschaften besitzen.
Hintergrund der Erfindung
Es ist üblich, dass Flüssigkeiten in einer chemischen Verarbeitungsanlage zwischen den Verarbeitungsschritten in einem Behälter oder in einer Reihe von Behältern aufbewahrt werden oder durch diese laufen. Solche Behälter können (unter anderem) als Lagerbehälter, Pufferbehälter, Zwischenbehälter oder Aufnahmebehälter bezeichnet werden. Sie können kontinuierlich oder diskontinuierlich (chargenweise) betrieben werden. Bei einem kontinuierlichen Betrieb wird die Flüssigkeit im wesentlichen dem Behälter kontinuierlich zugeleitet und im wesentlichen kontinuierlich aus dem Behälter entnommen.
Üblicherweise sind kontinuierlich betriebene Behälter mit einem Pegelmess-und - steuerungsinstrumentensystem ausgestattet, so dass das Volumen oder die Verweildauer der in dem Behälter gelagerten Flüssigkeit reguliert werden kann.
Das Instrumentensystem kann so konstruiert sein, dass normale Bedarfsschwankungen ein Signal hervorrufen, das zu früheren Stufen in dem Verfahren gesendet wird, wo das Signal zur Durchführung entsprechender Änderungen in der Versorgung dient. Dies ist als Rückkoppelungssteuerung bekannt. Kontinuierlich betriebene Lagerbehälter können auch mit Steuersystemen versehen sein, die auf grössere Veränderungen ansprechen, wie zum Beispiel auf eine vorübergehende Beendigung der Versorgung oder des Bedarfs, und daher als Puffer- oder Ausgleichsbehälter dienen. Wenn die Versorgung vorübergehend unterbrochen wird, kann der Bedarf über einen begrenzten Zeitraum mit dem in dem Behälter gelagerten Flüssigkeitsvolumen gedeckt werden.
Wenn der Bedarf vorübergehend unterbrochen ist, kann die Versorgung mit derselben oder einer geringeren Menge fortgesetzt werden,
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wodurch eine Kapazitätsverringerung der Kammer das Öffnen des Ventils bewirkt und eine Kapazitätserhöhung der Kammer das Schliessen des Ventils bewirkt. In Verwendung wird der Kolben periodisch betätigt, um Teilmengen des viskosen Materials aus der Kammer zu der Annahmevorrichtung auszustossen, so dass zum Beispiel Margarine in kleinen Bechern verpackt werden kann.
GB-A-841. 403 beschreibt nur ein Verfahren, in dem die Annahmevorrichtung das Material periodisch annimmt, und erwähnt kein Verfahren, in dem sowohl die Versorgung als auch die Annahme kontinuierlich
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DE-A-3. 416. 899'beschreibt eine Maschine zur Verzierung von Torten wie zum Beispiel mit einer Schokoladebeschriftung. Ein Charge Schokolade, die in einem Zylinder enthalten ist, wird durch die Betätigung eines pneumatisch angetriebenen Kolbens, der in dem Zylinder arbeitet, durch Düsen auf die zu verzierende Torten ausgestossen. Die Bewegung des Kolbens in eine tiefere
Position während des Ausstossens der Schokolade aktiviert einen unteren
Niveaugrenzschalter. Die Betätigung dieses Schalters erzeugt auszusendende
Signale, welche die Tätigkeit des Kolbens unterbrechen und eine Zahnradpumpe starten.
Die Zahnradpumpe pumpt Schokolade aus einem Aussenbehälter durch ein biegsames Rohr, das mit dem Inneren der hohlen Kolbenstange verbunden ist, und somit in den Zylinder. Dieses Pumpen bewirkt, dass sich der Kolben in eine obere Position bewegt, wo er einen oberen Niveaugrenzschalter aktiviert, der anzeigt, dass der Zylinder mit einer frischen Charge Schokolade gefüllt wurde. Die Betätigung dieses Schalters erzeugt auszusendende Signale, welche die Zahnradpumpe anhalten und eine Wiederaufnahme des Ausstossvorganges des Kolbens ermöglichen. Der Zyklus wird der Notwendigkeit entsprechend
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wiederholt.
In DE-A-3. 416. 899 wird kein Verfahren erwähnt, in dem entweder die Versorgung des Zylinders mit Schokolade oder die Abgabe von Schokolade aus dem Zylinder kontinuierlich ist.
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setzen. Die Verwendung eines Druckkolbens kann vorteilhaft sein, wenn Flüssigkeit dem Behälter durch eine Speisepumpe zugeleitet wird, die besonders effektiv arbeitet, wenn positiver Druck an ihrer Abgabeseite ausgeübt wird, und wenn Flüssigkeit aus dem Behälter durch eine Förderpumpe ausgegeben wird, die besonders effektiv arbeitet, wenn positiver Druck an ihrer Saugseite ausgeübt wird. Dies gilt für bestimmte Arten von volumetrischen Dosierpumpen wie zum Beispiel Zahnradpumpen.
Druck auf den Kolben kann zum Beispiel pneumatisch, hydraulisch oder mechanisch oder durch eine Kombination dieser Techniken ausgeübt werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Kolben mit einer Mittelstange ausgestattet, welche mechanischen Druck auf den Kolben überträgt. Der Behälter kann ein geschlossener Behälter sein, der mit Luft oder einem inerten Gas unter Druck gesetzt wird, so dass der Druckunterschied über der Dichtung zwischen dem Kolben und der Wand oder den Wänden des Behälters auf ein Minimum verringert wird.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Einlassöffnung die Öffnung in oder nahe dem Ende des Behälters und die Auslassöffnung ist an dem beweglichen Folgeorgan befestigt oder mit diesem bewegbar. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die entgegengesetzte Anordnung verwendet. Jede Öffnung kann eine einfache Öffnung oder eine Mehrfachöffnung oder ein Verteilerring sein.
Die Öffnung, die an dem beweglichen Folgeorgan befestigt ist, ist mit einer Leitung verbunden, die in bezug auf den Behälter fixiert ist. Diese Verbindung kann die Form eines biegsamen Schlauchs aufweisen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Verbindung die Form eines teleskopischen Rohres auf. Diese Rohr kann ausserhalb der Flüssigkeit angeordnet sein, so dass die feststehende Leitung von dem Ende des Behälters, in oder nahe dem die andere Öffnung angeordnet ist, entfernt angeordnet ist. In einer bevorzugten Anordnung ist das Rohr in die Flüssigkeit eingetaucht, so dass die feststehende Leitung nahe der anderen Öffnung angeordnet ist. Dies hat den
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Vorteil, dass der Behälter kompakter sein kann.
Wenn die Flüssigkeit in dem Behälter bei einer kontrollierten Temperatur gehalten werden muss, hat die Anordnung ferner den Vorteil, dass das teleskopische Rohr für eine Temperaturregulierung nicht isoliert oder andersartig angepasst werden muss. Ein Beispiel für eine solche Flüssigkeit, die eine Temperaturregulierung erfordert, ist eine Lösung aus Cellulose in N-Methylmorpholin-N-oxid, die sich bei Raumtemperatur verfestigt. Wenn die Flüssigkeit in dem Behälter unter Druck gesetzt wird, hat das Eintauchen des Rohres in die Behälterflüssigkeit den weiteren Vorteil, dass qualitativ hochwertige Dichtungen zwischen den teleskopischen Abschnitten des Rohres nicht erforderlich sind.
In seiner einfachsten Form kann das teleskopische Rohr aus einem rohrförmigen Abschnitt bestehen, der an dem Folgeorgan befestigt ist, welcher mit einem weiteren rohrförmigen Abschnitt in Eingriff steht, der an dem Ende des Behälters befestigt ist und durch dieses hindurchgeht, um die feststehende Leitung zu bilden oder mit dieser verbunden zu werden. Es können auch komplexere Formen in Betracht gezogen werden, die mehrere Rohrabschnitte umfassen.
Wenn das Rohr in die Flüssigkeit eingetaucht ist, kann die Öffnung, die an dem beweglichen Folgeorgan angebracht und mit diesem bewegbar ist, aus Öffnungen in dem Rohr an jenem Ende des Rohres bestehen, das an das bewegliche Folgeorgan angrenzt. Das Rohr ist vorzugsweise in einer Art und Weise an dem beweglichen Folgeorgan angebracht, die eine gewisse Schwingung des Rohres in bezug auf das Folgeorgan ermöglicht. Ein Gelenkzapfen und Ring ist eine einfache Möglichkeit, das Rohr an dem beweglichen Folgeorgan zu befestigten, wobei ein gewisses Spiel zwischen den teleskopischen Abschnitten entsteht, um den teleskopischen Betrieb zu gewährleisten und das Erfordernis nach einer exakten konzentrischen und linearen Ausrichtung der Rohrabschnitte zu verringern.
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Der Behälter ist vorzugsweise mit einer Wärmeisolierung und/oder einem Heiz- oder Kühlmantel versehen, um die Flüssigkeit in dem Behälter bei konstanter Temperatur zu halten. Der Mantel kann elektrisch geheizt werden oder kann ein hohler Mantel sein, der ein zirkulierendes Wärmeübertragungsfluid wie Salzlösung, Wasser oder Dampf enthält.
Die Flüssigkeit kann eine reine Flüssigkeit oder eine Mischung aus Flüssigkeiten oder eine Lösung sein oder kann eine Suspension oder eine Aufschlämmung eines Feststoffes in einer Flüssigkeit sein.
Die Flüssigkeit in dem Behälter weist vorzugsweise ein laminares Fliessverhalten auf ; das heisst, die Reynoldszahl ist kleiner als etwa 2000 bis 3000. Das bedeutet, dass das Ausmass des Vermischens in dem Behälter gering ist und somit der Flüssigkeitsstrom durch den Behälter sich dem "Zuerst hinein-zuerst hinaus"-Strom nähert. Eine laminare Strömung wird einfach erzielt, wenn die Flüssigkeit eine Flüssigkeit hoher Viskosität ist, wie zum Beispiel ein Polymerdope, insbesondere ein Dope, der zur Herstellung einer Faser oder eines Filmes aus regenerierter Cellulose gedacht ist, insbesondere Viskose oder vorzugsweise eine Lösung von Cellulose in einem tertiären Amin-N-oxid.
Das Betriebsverfahren der Erfindung wird vorzugsweise instrumentell gesteuert. Die gewünschte Position des Folgeorgans, die dem gewünschten Volumen oder der Verweildauer der Flüssigkeit in dem Behälter entspricht, wird als Einstellungspunkt in einer Instrumentensteuerung festgelegt. Schwankungen in der Bedarfsmenge führen dazu, dass sich das Folgeorgan von seinem Einstellungspunkt wegbewegt. Das erhaltene Instrumentensignal wird zur Regulierung der Vorrichtung an der Einlassseite des Behälters verwendet, zum Beispiel, um die Geschwindigkeit einer Speisepumpe zu verändern, so dass die Zufuhrmenge der Flüssigkeit von der Versorgungsquelle eingestellt wird und folglich das Folgeorgan wieder zu einem Einstellungspunkt zurückzustellen.
Das gewünschte Volumen oder die Verweildauer können durch einfache Einstellung
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des Einstellungspunktes verändert werden, auf Grund dessen die
Instrumentensteuerung dazu dient, eine neue Gleichgewichtsposition des
Folgeorgans herzustellen. Der Flüssigkeitsstrom durch den Behälter ist kontinuierlich und folgt im allgemeinen einem "Zuerst hinein - zuerst ! hinaus"-Piinzip.
Bei einer Verarbeitungsanlage, die für einen kontinuierlichen Betrieb ausgelegt ist, ist im allgemeinen wünschenswert, einen kontinuierlichen Betrieb im grösstmöglichen Ausmass aufrechtzuerhalten. Wenn die Versorgung eines
Behälters, der gemäss dem Verfahren der Erfindung betrieben wird, aus irgendeinem Grund unterbrochen wird, dient die Flüssigkeit, die in dem
Behälter gelagert ist, dazu, den Bedarf über eine begrenzte Zeit zu decken, möglicherweise bei verringerter Menge, bis die Versorgung wiederhergestellt ist, worauf eine vorübergehend erhöhte Versorgungsmenge das Folgeorgan wieder zu seinem Einstellungspunkt bringt.
Das in dem Behälter gelagerte i Flüssigkeitsvolumen kann vorübergehend erhöht werden, um eine geplante
Unterbrechung der Versorgung des Behälters auszugleichen, wie zum Beispiel während eines Filtertausches, um eine kontinuierliche Abgabe an die
Bedarfsquelle zu garantieren. Dies stellt einen besonderen Vorteil dar, wenn die
Unterbrechung in dem kontinuierlichen Strom zu der Bedarfsquelle die Produktion bei einer kontinuierlich betriebenen Ausrüstung wie bei Faserspinn- oder Filmextrusionsmaschinen anhielte.
Es ist allgemein bekannt, dass die
Produkt- (Faser- oder Film-) Qualität oft eine gewisse Zeit nach
Wiederaufnahme der Produktion nach einem solchen Anhalten vermindert ist.
Es ist auch bekannt, dass sich während eines solchen Anhaltens die Zusammensetzung von zirkulierenden Prozessflüssigkeiten, wie zum Beispiel Koagulationsbad-und Waschflüssigkeiten, häufig von ihrem Einstellungswert wegbewegt ; folglich kann die Faser oder der Film, der eine gewisse Zeit nach der Wiederaufnahme erzeugt wird, ausserhalb der Spezifikationen liegen, zum
Beispiel bei der Farbstoffaffinität.
Wenn der Bedarf von einem Behälter, der
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gemäss dem Verfahren der Erfindung betrieben wird, aus irgendeinem Grund unterbrochen wird, kann die Versorgung des Behälters mit derselben oder einer verringerten Menge fortgesetzt werden, wobei die überschüssige Kapazität des Behälters als Puffervolumen verwendet wird, bis der Bedarf wiederhergestellt ist. In jedem Fall wird allgemein das "Zuerst hinein - zuerst hinaus"-Fliessschema durch den Behälter beibehalten, was für Flüssigkeiten mit zeitabhängigen Eigenschaften wichtig ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun ausführlicher anhand eines Beispiels mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, von welchen :
Figur 1 eine Seitenansicht im Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Behälters zur Verwendung in der Erfindung ist, und
Figur 2 eine fragmentarische Ansicht in vergrössertem Massstab ist, welche eine alternative Form der Dichtung zwischen dem Körper des in Figur 1 dargestellten Behälters und des darin enthaltenen Kolbens zeigt.
Ausführungsformen der Erfindung
Mit Bezugnahme auf Figur l besteht ein vertikal montierter Behälter 101 aus rostfreiem Stahl aus einem zylindrischen Körper 102, der auf einer im allgemeinen halbkugelförmigen Basis 103 befestigt ist. Der Körper 102 besitzt einen Innendurchmesser von 500mm und eine Höhe von 1120mm und ist mit vier Stützen 104 aus Flussstahl versehen, die mit gleichem Abstand um seinen Umfang angeordnet sind. Eine horizontale kreisförmige Platte 105, die mit Öffnungen 106 und einer mittleren kreisförmigen Öffnung 107 perforiert ist, ist zwischen dem Körper 102 und der Basis 103 angeordnet. Die Öffnungen 106 weisen jeweils einen Durchmesser von 25mm auf und sind in einem Innenring (mit 240mm Durchmesser) aus acht Öffnungen und einem Aussenring (mit 420mm Durchmesser) aus zwölf Öffnungen angeordnet.
Die Öffnungen 106
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dienen zur Verteilung des Flüssigkeitsstromes über den Querschnitt des Behälters 101. Der Körper 102, die Platte 105 und die Basis 103 werden durch äussere kreisförmige Flansche 108 zusammengehalten, die an dem untersten Ende des Körpers 102 und am obersten Ende der Basis 103 angeordnet sind.
Eine Auslassleitung 109 aus rostfreiem Stahl mit einer Nennweite von 150mm verläuft axial durch die Basis 103 und ist an dieser befestigt. Die Leitung 109 erstreckt sich nach oben, so dass sie in der Unterseite der Platte 105 am Umfang der Öffnung 107 sitzt. Das untere Ende der Leitung 109 erstreckt sich von der Basis 103 nach unten, wo es mit einer Bedarfsquelle (nicht dargestellt) verbunden ist. Flüssigkeit wird dem Behälter 101 aus einer Versorgungsquelle (nicht dargestellt) über eine horizontale Einlassleitung 110 mit einer Nennweite von 150mm zugeleitet, die mit einer ringförmigen Einlassöffnung 127 verbunden ist, die in der Mitte der Basis 103 um die Auslassleitung 109 herum angeordnet ist. Der Aussendurchmesser der ringförmigen Öffnung 127 beträgt 250mm.
Ein Kolben 111 aus rostfreiem Stahl, der in Figur 1 in seiner obersten Position dargestellt ist, ist innerhalb des Körpers 102 angeordnet und mit einem U-Ring 112 aus Nitrilkautschuk und einem O-Ring 113 aus PTFE ausgestattet, die zur flüssigkeitsdichten Abdichtung des Kolbens 111 gegenüber der Wand 114 des Körpers 102 dienen. Ein Rohr 115 aus rostfreiem Stahl mit einer Nennweite von 130mm ist durch einen Gelenkzapfen und Ring 116 in der Mitte der unteren Fläche des Kolbens 111 schwenkbar befestigt und erstreckt sich von diesem über eine Strecke von 1050mm nach unten. In das Rohr 115 sind angrenzend an den Kolben 111 vier kreisförmige Öffnungen 117 gebohrt, die mit gleichem Abstand um den Umfang des Rohres 115 angeordnet sind und gemeinsam eine Auslassöffnung bilden.
Die Öffnungen 117 weisen jeweils einen Durchmesser von 75mm auf und die Mitte jeder Öffnung 117 ist 50mm von der Unterseite des Kolbens 111 beabstandet. Das sich nach unten erstreckende Ende 118 des Rohres 115 geht durch die Öffnung 107 in der Platte 105 und greift
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gleitend in die Auslassleitung 109 ein. Das Spiel zwischen dem Rohr 115 und der Öffnung 107 beträgt etwa lmm. Die schwenkbare Befestigung des Rohres 115 an dem Kolben 111 dient zur einfacheren Ausrichtung des Rohres 115 mit der Öffnung 107 während des Zusammenbaus und Betriebs.
Ein kreisförmiger Deckel 119 sitzt auf dem Körper 102 und ist durch äussere kreisförmige Flansche 120, die am obersten Ende des Körpers 102 angeordnet sind, festgeklemmt. Ein hydraulischer Zylinder 121 ist auf dem Deckel 119 befestigt und übt durch eine Mittelstange 122, die an Zylinder 121 befestigt ist, einen mechanischen Druck nach unten auf den Kolben 111 aus.
Der normale Arbeitsdruck der Flüssigkeit in dem Behälter 101 beträgt 0, 5MPa und der maximale Arbeitsdruck beträgt 1, 3MPa. Der Hub des Kolbens 111 beträgt etwa 1000mm. Das normale Arbeitsvolumen des Behälters 101 beträgt etwa 0, lm3 und das maximale Arbeitsvolumen etwa 0, 2 m3. Die Flüssigkeit kann eine Lösung von Cellulose in einem Amin-N-oxid wie N-Methylmorpholin-N-oxid sein.
Eine Temperaturmess-Thermosonde 123 ist in der Basis 103 befestigt. Der Behälter 101 und sein zugehöriges Rohrnetz sind mit Mänteln 124 ausgestattet, durch welche ein Wärmeübertragungsfluid wie Wasser geleitet werden kann.
Die Mäntel 124 sind im allgemeinen 25mm breit und sind mit inneren Drosselscheiben 125 versehen, die für eine gleichmässige Verteilung des Wärmeübertragungsfluids dienen. Die obere Fläche des Kolbens 111 ist mit einer Schicht aus wärmeisolierendem Material 126 versehen.
In Betrieb wird die vertikale Position des Kolbens 111 in bezug auf den Behälter 101 durch kontinuierliche Messung der vertikalen Position der Stange 122 aufgezeichnet und mit einem Einstellungspunkt in einem Messinstrument (nicht dargestellt) verglichen. Eine Abweichung von dem Einstellungspunkt erzeugt ein elektrisches Signal, das zu der Versorgungsquelle geleitet wird. Wenn sich der Kolben über dem Einstellungspunkt befindet, so dass das gegenwärtig in dem Behälter befindliche Flüssigkeitsvolumen zu gross ist,
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bewirkt das Signal eine Verringerung der Versorgungsmenge bis der
Einstellungspunkt wieder erreicht ist und der Behälter neuerlich das gewünschte
Flüssigkeitsvolumen enthält.
Wenn sich der Kolben unter dem Einstellungspunkt befindet, so dass das gegenwärtig in dem Behälter befindliche
Flüssigkeitsvolumen zu gering ist, bewirkt das Signal einer Erhöhung der
Versorgungsmenge, bis der Einstellungspunkt wieder erreicht ist und der
Behälter neuerlich das gewünschte Flüssigkeitsvolumen enthält.
Wenn das Volumen oder die Verweildauer der Flüssigkeit in dem Behälter geändert werden soll, wird der Einstellungspunkt verändert, um den neuen gewünschten Wert wiederzugeben. Das Instrumentensystem arbeitet dann automatisch, um die Gleichgewichtsposition des Kolbens einzustellen, so dass der gewünschte Wert erzielt wird.
Wenn die Versorgung des Behälters aus irgendeinem Grund vorübergehend verringert oder unterbrochen wird, ohne sich auf die
Bedarfsquelle auszuwirken, beginnt das in dem Behälter enthaltene
Flüssigkeitsvolumen abzunehmen. Die daraus resultierende, kontinuierlich zunehmende Abweichung der gemessenen Position des Kolbens von dem
Einstellungspunkt erzeugt ein Signal, das zu der Bedarfsquelle gesendet wird. Es kann auch ein Signal von der Versorgungsquelle zu der Bedarfsquelle gesendet werden, um die Sachlage anzuzeigen. Die Bedarfsquelle kann dann abhängig von dem Signal oder den Signalen entsprechend reagieren, um die
Bedarfsmenge zu verringern, bis die Versorgung wiederhergestellt ist, wobei auf das in dem Behälter enthaltene Flüssigkeitsvolumen als Puffer verwendet wird.
Wenn der Bedarf von dem Behälter aus irgendeinem Grund vorübergehend verringert oder unterbrochen wird, ohne sich auf die Versorgungsquelle auswirken, beginnt das in dem Behälter enthaltene Flüssigkeitsvolumen zu steigen. Die daraus resultierende, kontinuierlich zunehmende Abweichung der gemessenen Position des Kolbens von dem Einstellungspunkt erzeugt ein Signal, das zu der Versorgungsquelle gesendet wird. Es kann auch ein Signal von der
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Bedarfsquelle zu der Versorgungsquelle gesendet werden, um die Sachlage anzuzeigen. Die Versorgungsquelle kann dann abhängig von dem Signal oder den Signalen entsprechend reagieren, um die Versorgungsmenge zu verringern, bis der Bedarf wiederhergestellt ist, wobei die überschüssige Kapazität des Behälters als Puffervolumen verwendet wird.
Figur 2 zeigt eine alternative Methode zur Bildung einer Dichtung zwischen der Wand 114 des Körpers 102 und dem Kolben 111. Die Dichtung besteht aus einem PTFE O-Ring 201, einem ringförmigen PTFE Auflagestreifen 202 und einem ringförmigen PTFE-Lippenring 203 mit einem U-förmigen Querschnitt, der von einem Halterungsring 204 gehalten wird.