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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung
von gefärbtem
Glas nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs
8.
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Verfahren
zur Herstellen von gefärbtem
Glas sind gemäß dem Stand
der Technik bereits seit langem bekannt und wurden beispielsweise
zur Herstellung von Kirchenfenstern, insbesondere Rosetten für Kirchenfenster
sowie für
Schmuck- und andere Gläser
seit langem angewendet. Ferner wurden gefärbte Gläser in der chemisch-physikalischen
Verfahrenstechnik sowie insbesondere auch Analytik und auf vielen
anderen Gebieten vielfach benötigt.
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Derartige
gefärbte
Gläser
werden gemäß dem Stand
der Technik hergestellt, indem die zur Glaserzeugung notwendigen
Stoffe in bestimmten, der Glaszusammensetzung entsprechenden Mengen
abgewogen und miteinander zu einem Gemenge vermischt werden. Neben üblichen
Gemengebestandteilen wie Sand, Soda und anderen Zusatzstoffen enthält dieses
Gemenge auch farbgebende Substanzen.
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Das
Gemenge wird anschließend
bei Temperaturen, die im wesentlichen von der Zusammensetzung des
Gemenges abhängen
und im allgemeinen im Bereich von ca. 1400 C liegen, in einer Schmelzwanne
aufgeschmolzen, die je nach Größe der Produktionsanlage
zwischen 30 t und 120 t geschmolzenes Glas fasst.
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Diese
vorbeschriebene Vorgehensweise zur Herstellung von gefärbtem Glas
weist jedoch einige gravierende Nachteile auf:
So besteht ein
Nachteil des gleichzeitigen Schmelzens der Gemengebestandteile darin,
dass flüchtige Substanzen,
wie beispielsweise Fluor-, Bor- und/oder Selenverbindungen bereits
während
des Aufheizvorganges zunehmend verdampfen und somit einerseits zu
einer Verfälschung
der Gemengezusammensetzung und einer Reduzierung dieser Substanzen
in dem Gemenge führen
und andererseits eine Emissionsproblematik mit sich bringen, da
diese Substanzen, insbesondere auch unter Umweltgesichtspunkten,
aufgefangen und entsorgt oder recycled werden müssen.
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Darüber hinaus
befindet sich in dem zu schmelzenden Gemenge eine relativ große Menge an
Gas bzw. Luft, das während
des Schmelzvorgangs nicht völlig
entweichen kann, so dass ein langwieriger Läuterungsprozess notwendig ist,
um Glasfehler zu vermeiden. Darüber
hinaus besteht bei der Ein- bzw. Beimischung von färbenden
Bestandteilen in das Gemenge die Gefahr, dass Fremdkörper in das
Gemenge zudosiert werden, die zu Glasfehlern in fester Form oder
in glasiger Form führen
und unter Umständen
die Entsorgung eines kompletten Schmelzwanneninhalts erfordern.
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Ein
zusätzlicher
Nachteil besteht darüber
hinaus darin, dass immer der gesamte Schmelzwanneninhalt vollständig und
homogen gefärbt
werden muss, um ein homogenes und einheitlich gefärbtes Glas
zu erhalten. Die Reinigung einer solchen Schmelzwanne, beispielsweise
im Vorfeld eines Farbwechsels ist extrem aufwändig, da zunächst das mit
der ursprünglichen
Farbe gefärbte
Glas vollständig
entfernt werden muss, was beispielsweise durch „Spülen" mit ungefärbtem Glas möglich ist.
Die hierbei auftretenden Energiekosten sind jedoch beträchtlich
und erfordern darüber
hinaus eine sehr große Menge
an „Reinigungsglas".
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Ein
weiterer Nachteil der bestehrenden Praxis der Glasfärbung ist
darin begründet,
dass ein nachträgliches
Hinzufügen
von farbgebenden Bestandteilen in die heiße Glasschmelze nur schwierig oder überhaupt
nicht möglich
ist, da beispielsweise flüchtige
bzw. niedrig schmelzende Substanzen sowie Substanzen mit einem hohen
Dampfdruck bei einem Kontakt mit der heißen Glasschmelze unmittelbar
verdampfen und allenfalls ein sehr geringer Anteil der Substanz
tatsächlich
in die Glasschmelze eingebracht werden kann. Darüber hinaus besteht die Gefahr,
dass beim Einbringen derartiger Substanzen in eine Glasschmelze
Gas in die Schmelze eingebracht wird, was zur Blasen- und/oder Schaumbildung
sowie gegebenenfalls zu gasförmigen
Glasfehlern führen
kann.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, unter Vermeidung der oben genannten
Nachteile ein Verfahren zum Herstellen von gefärbtem Glas zur Verfügung zu
stellen, das hinsichtlich der gewünschten Glasfärbungen
einfach und flexibel handhabbar ist und mit dem es möglich ist,
die Gefahr von Glasfehlern bei einer gegebenenfalls verkürzten Läuterungszeit
zu vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine
Vorrichtung nach Anspruch 8 gelöst.
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Insbesondere
wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen von gefärbtem Glas
gelöst, wobei
eine Glasschmelze mit einem Farbkonzentrat auf Glasbasis versetzt
wird.
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Ein
wesentlicher Punkt der Erfindung liegt hierbei darin, dass das Farbkonzentrat
nicht in Form der reinen Ausgangskomponenten, d.h. als Metall, Metalloxyd
oder Metallsulfid vorliegt, sondern diese Ausgangssubstanzen bereits
in eine Glasmatrix eingebunden vorliegen. Diese Glasmatrix stellt
das Farbkonzentrat auf Glasbasis dar, das die farbgebenden Substanzen,
wie beispielsweise Eisenoxide, Manganoxide, Kupferverbindungen,
Nickelverbindungen, Kobaltoxid, Chromverbindungen, Selen und Selenverbindungen,
Schwefel- und Schwefelverbindungen sowie Edelmetalle, wie beispielsweise
Silbernitrat oder Goldchlorid, aber auch Zinnoxyd, gegebenenfalls
Weinstein sowie unter Umständen
auch Aluminium- und Bleiverbindungen sowie Barium-, Arsen-, Antimon-,
Cer- und Zinkverbindungen, Uranoxid sowie gegebenenfalls Koks- und
Kohlenstoffverbindungen in hoher Konzentration enthält.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik besteht
darin, dass sie vorgenannten Substanzen, die nur eine beispielhafte
Zusammenstellung an möglichen
Glasinhaltstoffen darstellen, bereits fest in eine Glasmatrix eingebunden
sind, so dass ein Verdampfen dieser Substanzen während eines Gemenge-Schmelzvorgangs oder
während
einer nachträglichen
Zudosierung zu einer Glasschmelze nicht zu befürchten sind. Durch die Zugabe
eines Farbkonzentrats auf Glasbasis, das die färbenden Substanzen bereits
enthält,
zu einer Glasschmelze ist darüber
hinaus nicht zu befürchten,
dass die farbgebenden bzw. färbenden Substanzen
aufgrund der hohen Temperatur der Glasschmelze bzw. aufgrund der
Chemie des Glases Gas entwickeln, das dann während eines langwierigen Läuterungsprozesses
wieder aus der Glasschmelze entfernt werden müsste. Vielmehr haben derartige
Reaktionen bereits während
der Herstellung des Farbkonzentrats auf Glasbasis stattgefunden,
so dass das Glaskonzentrat auf Glasbasis ohne die vorgenannten Problematiken
einfach und in genau dosierbarer Weise zu einer Glasschmelze hinzu gegeben
werden kann, bis eine gewünschte
Färbung der
Glasschmelze durch Zugabe von Farbkonzentrat erreicht ist.
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Das
Farbkonzentrat ist erfindungsgemäß ein Glas,
das färbende
Substanzen bis zu ihrer jeweiligen Sättigungsgrenze sowie gegebenenfalls
im Überschuß enthalten
kann, so dass das Farbkonzentrat auf Glasbasis hinsichtlich dieser
Bestandteile hochkonzentriert und geeignet ist, farbgebende Substanzen
in eine Glasschmelze abzugeben, wobei sich das Farbkonzentrat auf
Glasbasis in einer Glasschmelze mit dieser vermischt. Dies kann
vorzugsweise durch mechanische Vorgänge oder durch, insbesondere
thermische Konvektion und/oder Diffusion erfolgen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Farbkonzentrat
im wesentlichen flussmittelfrei und insbesondere boraxfrei. Auf
diese Weise können
in vorteilhafter Weise boraxfreie Gläser erzeugt werden, wobei zudem
aufgrund der Möglichkeit,
boraxfrei zu arbeiten auch die mit flüssigem Borax einhergehenden
Korrosionen und andere Problem bei der konventionellen Glasherstellung
vermieden werden können.
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Erfindungsgemäß kann boraxfrei
gearbeitet werden, da die in die Glasschmelze einzubringenden färbenden
Substanzen bereits in einer Glasmatrix eingebunden sind und keines
Flussmittels mehr bedürfen,
das eine Vermischung der farbgebenden Substanzen in einer Glasschmelze
ermöglichen
würde.
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Das
Farbkonzentrat kann entweder in flüssiger oder in fester Form
verwendet werden, wobei eine Verwendung in flüssiger Form, also die Zudosierung
eines flüssigen
Farbkonzentrats auf Glasbasis in eine Glasschmelze den Vorteil einer
schnellen Durchmischung der Glasschmelze mit dem Farbkonzentrat
hat, während
die Zudosierung eines Farbkonzentrats in fester Form in eine Glasschmelze
eine äußerst einfache
Handhabung, insbesondere im Hinblick auf die Dosierbarkeit des Farbkonzentrats
ermöglicht;
darüber
hinaus kann ein Farbkonzentrat auf Glasbasis in fester, d.h. in
Form von Perlen oder Pellets, respektive Kügelchen, einfach transportiert werden,
so dass die Herstellung eines Farbkonzentrats auf Glasbasis nicht
im selben Betrieb stattfinden muss, in dem auch die Glasschmelze
verarbeitet wird, sondern transportabel ist.
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Darüber hinaus
ist es bei der Verwendung von Pellets möglich, Mischfarben zu erzeugen,
indem auf einfache Weise unterschiedlich gefärbte Farbkonzentrate nacheinander
oder gemeinsam in eine zu färbende
Glasschmelze gegeben werden. Eine Mischfarbenerzeugung lässt sich
erfindungsgemäß auch durch
die Zugabe von unterschiedlich gefärbten flüssigen Farbkonzentraten auf
Glasbasis realisieren.
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Ein
wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darüber hinaus
darin, dass eine Glasschmelze jederzeit so lange nachgefärbt werden
kann, bis eine ausreichende Färbung erreicht
ist, wobei auch Farbvariationen durch Zugabe von färbenden
oder entfärbenden
Substanzen problemlos zu realisieren sind.
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An
dieser Stelle sei erwähnt,
dass im Rahmen dieser Erfindung unter dem Begriff farbgebende Substanzen
oder färbende
Substanzen solche Substanzen und Stoffe zu verstehen sind, die für eine Herbeiführung einer Änderung
der Absorptionseigenschaften sowie der thermischen und elektrischen
Eigenschaften des Glases geeignet sind. Hierzu gehören insbesondere
färbende
und entfärbende
Verbindungen und Elemente sowie Trübungsmittel.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil der Herstellung einer gefärbten Glasschmelze
durch Zugeben von Farbkonzentrat auf Glasbasis besteht auch darin,
dass das Farbkonzentrat sowohl in flüssiger als auch in fester Form
homogen und ohne Schaum- oder Blasenbildung in die Glasschmelze
eingebracht werden kann, so dass aufgrund der nicht vorhandenen
Blasenbildung der Läuterungsprozess,
der zur Herstellung eines fehlerfreien Glases notwendig ist, gegebenenfalls
verkürzt
werden kann.
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Insbesondere
bei der Verwendung eines Farbkonzentrats, das in im wesentlichen
runder und/oder ovaler Form, insbesondere in Form von runden und/oder
ovalen Pellets, Kügelchen
oder Perlen vorliegt, besteht darin, dass diese Pellets eine glatte Oberfläche aufweisen.
Diese glatte Oberfläche,
die beim Herstellen der Pellets unter Ausnutzung der Oberflächenspannung
des Glases erzeugt wird, verhindert Unebenheiten in der Oberfläche, in
welchen sich Luft oder ein anderes Gas an- oder einlagern könnte, durch
das eine Schaum- oder Blasenbildung beim Einbringen der Farbkonzentratpartikel
in die Glasschmelze verursacht werden könnte, was sich in einer schlechteren
Glasqualität äußern würde. Dieser
Nachteil kann erfindungsgemäß vermieden
werden.
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Darüber hinaus
sind die erfindungsgemäßen Farbkonzentratpartikel
so beschaffen, dass sie nicht auf der Glasschmelze schwimmen, sondern
aufgrund ihrer runden und/oder ovalen, beispielsweise stromlinienförmiger,
Form relativ rasch in die Glasschmelze eintauchen und in dieser
versinken, so dass potentiell flüchtige
Substanzen nicht unmittelbar bei dem Kontakt mit der heißen Glasschmelze
entweichen können,
sondern erst im Verlauf des Versinkens der Farbkonzentratpartikel
in der Glasschmelze aus den Farbkonzentratpartikeln freigesetzt
und in der Glasschmelze verteilt werden, wobei die Glasschmelze
selbst einen Schutz vor Verdampfung solcher flüchtiger Verbindungen darstellt
und diese ummantelt, gegebenenfalls löst, und in die Glasmatrix einbindet.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung wird das Farbkonzentrat nicht unmittelbar in die Schmelzwanne,
sondern in wenigstens eine sich von der Schmelzwanne weg erstreckende,
die Glasschmelze führende
Pipeline zudosiert. Auf diese Weise ist es möglich, die vollständige Färbung der
Schmelzwanne und die damit einhergehende notwendige Reinigung bei
einem Farbwechsel zu vermeiden, sondern tatsächlich nur das Glas mit einer
bestimmten Farbe zu versehen, das in einer Pipeline von der Schmelzwanne
weg- und einer weiteren Verwendung zugeführt wird.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
ist es möglich,
verschiedene von einer Schmelzwanne wegführende Pipelines mit verschiedenen
Farbkonzentraten zur Erzeugung verschieden gefärbter Glasschmelzen zu versehen,
die dann einer weiteren Verwendung, beispielsweise einer Glaspresse,
einer Spinndüse
oder eine Walze zugeführt
werden.
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Darüber hinaus
ist es erfindungsgemäß möglich, innerhalb
einer einzigen von einer Schmelzwanne wegführenden Pipeline aufeinander
folgend unterschiedlich gefärbte
Glasschmelzen zu erzeugen, wobei eine gefärbte Glasschmelze quasi in Form
einer Propfströmung
innerhalb der Pipeline weiter- und einer Verarbeitungsmaschine zugeleitet wird.
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Ferner
sei betont, dass je nach Zugabeort im Verlauf der Pipeline, Zugabetemperatur
und anschließender
Vermischung oder Nicht-Vermischung des Farbkonzentrats bzw. der
Pellets in der Glasschmelze eine gezielt inhomogen gefärbte Glasschmelze
erzeugt werden kann, sofern dies gewünscht ist.
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Wie
bereits eingangs erwähnt,
sei an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Farbkonzentrat
auf Glasbasis dadurch hergestellt ist, dass farbgebende Substanzen, insbesondere
Metalle und/oder Metalloxide und/oder Metallsulfide sowie gegebenenfalls
Kohlenstoff und dessen Verbindungen über einen Schmelzzustand der
Glasbasis in diese integriert sind. Der sich hieraus ergebend Vorteil
besteht darin, dass, wie vor erwähnt,
keine weitere Reaktion zwischen der Glasschmelze und dem Farbkonzentrat
auf Glasbasis, respektive den in dem Farbkonzentrat auf Glasbasis enthaltenen
Substanzen erfolgt, wenn das Farbkonzentrat auf Glasbasis mit der
Glasschmelze zusammengegeben wird.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird ferner durch eine Vorrichtung zum Herstellen von gefärbtem Glas
gelöst,
wobei die Vorrichtung eine Schmelzwanne sowie zumindest eine sich
von der Schmelzwanne weg erstreckende Pipeline aufweist, und wobei
der zumindest einen Pipeline wenigstens eine Zuführeinheit, insbesondere eine
Dosiereinheit, zur Zuführung von
farbigem Glas, insbesondere Farbkonzentrat auf Glasbasis, in die
Pipeline zugeordnet ist. Die Zuführeinheit
ist gemäß einer
ersten Ausführungsform zur
Zuführung
von flüssigem
Glas ausgelegt, wobei gemäß einer
zweiten Ausführungsform
ebenfalls die Zuführung
von festem Glas vorgesehen sein kann, wobei insbesondere im wesentlichen
runde und/oder ovale Pellets vorgesehen sind.
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Ferner
kann die Zuführeinheit
mit einer Vorrichtung zum Herstellen des Farbkonzentrats auf Glasbasis
verbunden sein.
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In
diesem Zusammenhang sei erwähnt,
dass sowohl der Betrieb der Schmelzwanne als auch der Herstellungsprozess
der Herstellung des Farbkonzentrats auf Glasbasis im Fließbetrieb
durchgeführt werden
können,
wobei erfindungsgemäß in wechselnder
Farbe herzustellende Glasprodukte auf äußerst einfache Weise dadurch
durchgeführt
werden können,
dass ein anderes Farbkonzentrat auf Glasbasis oder eine andere Mischung
von Farbkonzentraten unterschiedlicher Färbung auf Glasbasis, vorzugsweise
in die sich von der Schmelzwanne weg erstreckenden Pipeline(s) zugegeben
werden.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorgehensweise besteht
darin, dass das Farbkonzentrat auf Glasbasis aufgrund der sehr hohen
Konzentration der farbgebenden Bestandteile darin in relativ kleinen
Mengen im Bereich von je nach Bedarf einigen Kilogramm bis hin zu
zwei bis drei Tonnen in entsprechend klein dimensionierten Schmelzwannen
hergestellt werden kann, wobei ein Läuterungsprozess in diesen relativ
kleinen Gefäßen aufgrund
einer geringeren Schichtdicke des darin befindlichen Glases deutlich
schneller abläuft
als in den bislang üblichen
bis zu 120 Tonnen fassenden, sehr großen Schmelzwannen, die gemäß dem Stand
der Technik vollständig
gefärbtes
Glas enthielten. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die
Verweilzeit des Glases in der Wanne, welche im wesentlichen für den Läuterungsprozess
nötig ist,
bis zu Faktor 10 bis 15 gegenüber
derjenigen, welche in großen Schmelzwannen
notwendig ist, herabgesetzt werden kann.
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Durch
ein geschicktes Zusammenspiel der Herstellung von hochkonzentrierten
Farbpartikeln auf Glasbasis einerseits und der Bereithaltung von geshmolzenem
ungefärbtem
Glas andererseits kann durch Zudosieren von Farbpartikeln, vorzugsweise
in einer von der großen
Schmelzwanne wegführenden Pipeline
auf äußerst effektive
Weise gefärbtes
Glas erzeugt werden, wobei ein problemloser Farbwechsel innerhalb
einer Pipeline oder eine simultane Herstellung unterschiedlich gefärbter Gläser in einer zweiten
oder jeder weiteren Pipeline möglich
ist.
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Weitere
Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben.
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In
einer 1,5 t fassenden Schmelzwanne wird unter Verwendung von 1425
kg Glasschmelze sowie 75 kg Kobaltoxid ein hochkonzentriertes dunkelblaues,
nahezu schwarz erscheinendes Farbkonzentrat auf Glasbasis hergestellt,
das an einem Auslaß mittels
einer Highspeedschere zu Glaspartikeln geschnitten wird, die sich
aufgrund deren Oberflächenspannung
zu im wesentlichen runden Partikeln formen. Diese Partikel werden
in einem Behälter
gesammelt und sind für
die Zugabe zu einer Glasschmelze geeignet, um ein Glas herzustellen,
das, je nach Wunsch, einen leichten Blauton, ein kräftigeres Blau
oder ein tiefdunkles Blau aufweist. Sowohl das Farbkonzentrat auf
Glasbasis als auch das fertige Glas sind boraxfrei. Die Farbkonzentratpartikel
werden in einer Pipeline, die sich von einer 120 t fassenden Schmelzwanne
mit Klarglas wegerstreckt, zudosiert.
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Während der
Zudosierung findet weder eine Blasen- noch eine Schaumbildung auf
dem in der Pipeline befindlichen Glas statt.
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An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß alle oben beschriebenen Teile
für sich
allein gesehen und in jeder Kombination als erfindungswesentlich beansprucht
werden. Abänderungen
hiervon sind dem Fachmann geläufig.