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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Funktionalisieren einer Innenoberfläche eines Behälters. Bevorzugt findet die Erfindung Einsatz beim Fluorieren von Behältern mit großen Volumina, insbesondere mit Volumina von 1 m3 [Kubikmeter] bis 60 m3 und mehr.
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Die Funktionalisierung von Oberflächen, das heißt das zumindest teilweise Austauschen von Wasserstoffatomen in Kunststoffoberflächen durch andere Atome wie beispielsweise insbesondere Fluor oder Chlor, dient der Veränderung der Eigenschaften der Kunststoffoberflächen. Hierbei handelt es sich insbesondere um die Änderungen von Eigenschaften wie beispielsweise der Haft- und/oder Gleitreibung, der Permeationskoeffizenten, etc. So ist beispielsweise aus der
EP 0 566 883 B1 die Funktionalisierung von Kraftstofftanks zur Senkung des Kraftstoffverlusts durch Permeation bekannt.
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Grundsätzlich kann bei der Fluorierung von Oberflächen von Kunststoffbehältern zwischen einer In-Line-Fluorierung und einer Off-Line-Fluorierung unterschieden werden. Bei der In-Line-Fluorierung wird schon während der Herstellung von Hohlkörpern der Kunststoff funktionalisiert. Die In-Line-Fluorierung ist insbesondere an den Herstellungsprozess der Blasextrusion gebunden, der beispielsweise bei der Herstellung für Tanks für PKW (Personenkraftwagen) angewendet wird. Eine solche In-Line-Fluorierung ist beispielsweise aus der
EP 0 210 344 A2 bekannt. Großvolumige Behälter wie z. B. Lagerbehälter für Säuren oder Laugen werden überwiegend nach dem Verfahren der Wickeltechnik hergestellt und können daher nicht in-line-fluoriert werden.
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Die Off-Line-Fluorierung einer Innenoberfläche eines Behälters findet grundsätzlich nach dem Herstellungsprozess statt, wobei ein Fluor enthaltendes Gasgemisch in den Behälter eingeleitet wird. Die Off-Line-Fluorierung ist insbesondere bei Behältern mit großen Volumina unwirtschaftlich. So wird das gesamte Volumen des Behälters mit einem Fluor enthaltenden Gas geflutet. Für die eigentliche Fluorierung der Innenoberfläche des Behälters ist allerdings nur ein Bruchteil der eingeleiteten Fluormenge nötig. Dies liegt an dem ungünstigen Verhältnis der Behälteroberfläche zum Behältervolumen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren und eine Vorrichtung angegeben werden, durch die die verwendete Menge Fluor beim Funktionalisieren von Kunststoffoberflächenbehältern verringert wird und durch die die Funktionalisierung effizienter gestaltet wird.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche sind auf entsprechende Weiterbildungen gerichtet. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Insbesondere werden die Aufgaben gelöst durch ein Verfahren zum Funktionalisieren, insbesondere Fluorieren, einer Innenoberfläche eines Behälters, insbesondere eines Kunststoffbehälters, umfassend zumindest folgende Schritte:
- – Einführen eines gasdichten Körpers in den Behälter, so dass ein Zwischenraum zwischen der Innenoberfläche und dem gasdichten Körper gebildet wird,
- – Einleiten eines Behandlungsgases in den Zwischenraum.
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Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu funktionalisierenden Behälter sind insbesondere solche Kunststoffbehälter, die ein Volumen von 1 m3 bis 60 m3, bevorzugt sogar bis 120 m3 und mehr aufweisen. Diese Behälter werden insbesondere als Lagerbehälter für Säuren oder Laugen eingesetzt.
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Unter einem gasdichten Körper sind insbesondere Körper, Behälter, Gebilde oder andere Gegenstände gemeint, deren Oberfläche insbesondere für das Behandlungsgas undurchlässig ist. Der gasdichte Körper kann aber auch aus mehreren Bauteilen bestehen, die gasdicht miteinander verbunden sind. Für den gasdichten Körper ist also wesentlich, dass das Behandlungsgas nicht in den Körper eintreten oder aus diesem austreten kann. Es ist jedoch selbstverständlich, dass auch die Oberfläche des gasdichten Körpers zumindest bei den ersten Einsätzen im erfindungsgemäßen Verfahren von dem Behandlungsgas funktionalisiert wird oder werden kann.
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Der gasdichte Körper wird insbesondere durch eine Öffnung des Behälters in den Behälter eingeführt und die Öffnung anschließend verschlossen. Erfindungsgemäß wird der gasdichte Körper so zu dem funktionalisierenden Behälter platziert, dass ein Zwischenraum zwischen der Innenoberfläche und zumindest einem Teil der Oberfläche des gasdichten Körpers entsteht. Das Volumen des Zwischenraums ist somit wesentlich kleiner als das Innenvolumen des Behälters. Bevorzugt ist der Zwischenraum ein zusammenhängender Raum, in dem bevorzugt Stützelemente zur Beabstandung der gasdichten Körpers zu der Innenoberfläche angeordnet sein können. Diese Stützelemente können vor dem Einführen des gasdichten Körpers an der Innenoberfläche befestigt werden, sie können aber auch an dem gasdichten Körper angeordnet und insbesondere angeformt sein.
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Das Behandlungsgas ist ein Gas oder Gasgemisch, das zumindest ein Reaktivgas enthält, das die Innenoberfläche des Behälters funktionalisiert.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird das Volumen, in das das Behandlungsgas eingeleitet wird, verkleinert, so dass die Menge des benötigten Behandlungsgases und damit die Menge des benötigten Reaktivgases verringert wird. Zudem wird durch die Bildung des Zwischenraums ein direktes Zuführen des Behandlungsgases zu der Innenoberfläche des Behälters ermöglicht. Es wird somit der Verbrauch an Behandlungsgas reduziert und ein effizienteres Verfahren zum Funktionalisieren von Kunststoffbehälterinnenoberflächen angegeben.
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Bevorzugt weist das Behandlungsgas zumindest Fluor oder Chlor als Reaktivgas auf. Besonders bevorzugt liegt der Anteil von Fluor im Behandlungsgas zwischen 1 Vol.-% und 30 Vol.-%, ganz besonders bevorzugt zwischen 5 Vol.-% und 15 Vol.-%.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Größe des gasdichten Körpers vor Einleiten des Behandlungsgases so verändert, dass der Zwischenraum ein vorgegebenes Volumen aufweist. Unter der Größe des gasdichten Körpers ist insbesondere die äußere Abmessung des gasdichten Körpers zu verstehen. Bevorzugt wird die äußere Abmessung nach dem Einführen des gasdichten Körpers in den Behälter vergrößert, so dass das Volumen des Zwischenraums nach dem Einführen verkleinert wird. Die Größe des gasdichten Körpers wird besonders bevorzugt so verändert, dass das Volumen des Zwischenraums höchstens 10%, ganz besonders bevorzugt höchstens 5% des Innenvolumens des Behälters beträgt. Somit ist es möglich, einen im Ursprungszustand relativ kleinen Körper durch eine relativ kleine Öffnung des Behälters in den Behälter einzuführen und anschließend das zunächst relativ große Volumen des Zwischenraums zu verkleinern.
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Eine einfache Maßnahme zur Veränderung der Größe des gasdichten Körpers stellt das Zuführen eines unter Druck stehenden Gases in den gasdichten Körper dar. Als ein unter Druck stehendes Gas wird bevorzugt Druckluft verwendet. Das unter Druck stehende Gas wird also in den gasdichten Körper eingeleitet, wobei sich die Größe des gasdichten Körpers aufgrund einer elastischen Oberfläche oder einer mechanischen Gestaltung der Körperwand und der Erhöhung des Drucks verändert.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Zwischenraum mit einem Spülgas gespült wird. Unter Spülen wird bspw. ein kontinuierlicher Spülvorgang verstanden, bei dem der Zwischenraum über einen Spülzeitraum von dem Spülgas durchströmt wird oder ein diskontinuierlicher Spülvorgang, bei dem Spülgas in den Zwischenraum eingebracht wird, während des Spülzeitraums in diesem belassen wird und dann aus diesem entfernt wird. Das Spülgas sollte insbesondere frei von Reaktivstoffen sein und wird insbesondere durch ein Inertgas wie bspw. Stickstoff oder Luft bebildet, bei denen die Konzentration der Reaktivstoffe bei weniger 0,2 Vol.-%, bevorzugt bei weniger als 0,01 Vol.-% und besonders bevorzugt bei weniger als 0,01 Vol.-% liegt. Das Spülen des Zwischenraums erfolgt vor und/oder nach dem Einleiten des Behandlungsgases. Durch Spülen vordem Einleiten des Behandlungsgases wird der Zwischenraum von ungewollten Verunreinigungen befreit und durch das Spülen nach dem Einleiten des Behandlungsgases werden die Reaktivstoffe aus dem Zwischenraum beseitigt, so dass die Reaktivstoffe nicht in die Umwelt gelangen können.
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Vorzugsweise wird ein Gas aus der Gruppe Behandlungsgas und Spülgas durch den gasdichten Körper hindurch in den Zwischenraum geleitet. So wird bspw. von außerhalb des Behälters ein Gas in ein Verteilungssystem innerhalb des gasdichten Körpers geleitet und von dort in den Zwischenraum. Auf diese Weise wird das Behandlungsgas direkt an viele Stellen des Zwischenraums geleitet, so dass an allen Stellen des Zwischenraums und somit an der Innenoberfläche des Behälters gleiche Gasbedingungen, insbesondere gleiche Konzentrationen an Reaktivgas vorliegen. Eine besonders gleichmäßig funktionalisierte Innenoberfläche des Behälters wird somit erreicht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Funktionalisieren einer Innenoberfläche eines Behälters vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst eine Verschlusseinrichtung für den Behälter, einen gasdichten Körper zum Einführen in den Behälter und eine Einleiteinrichtung zum Einleiten eines Gases in den Behälter. Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient insbesondere zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Verschlusseinrichtung dient zum Verschließen der Öffnung des Behälters, durch die der gasdichte Körper in den Behälter eingeführt wird. Bevorzugt wird die Verschlusseinrichtung durch einen Flanschdeckel gebildet. Die Einleiteinrichtung ist insbesondere so ausgebildet, dass das Behandlungsgas in den Zwischenraum zwischen dem gasdichten Körper und der Innenoberfläche des Behälters eingeleitet werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es somit möglich, das Volumen, in das ein Behandlungsgas eingeleitet wird, so stark zu verkleinern, dass eine erhebliche Menge an Behandlungsgas eingespart werden kann. Der gasdichte Körper wird also durch eine Öffnung des Behälters in den Behälter eingeführt, die Öffnung mit der Verschlusseinrichtung verschlossen und anschließend der zwischen dem gasdichten Körper und der Innenoberfläche des Behälters gebildete Zwischenraum mit einem Gas geflutet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der gasdichte Körper an der Verschlusseinrichtung angebracht und in den Behälter einführbar. Der gasdichte Körper ist insbesondere gasdicht an der Verschlusseinrichtung angebracht, so dass auch kein Behandlungsgas durch die Verbindungsstelle zwischen Verschlusseinrichtung und gasdichten Körper in den gasdichten Körper gelangen kann. Es wird somit ermöglicht, dass in einem Schritt der gasdichte Körper in den Behälter eingeführt wird und die Verschlusseinrichtung auf der Öffnung positioniert wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der gasdichte Körper ein Element der folgenden Gruppe:
- – ein starres Gebilde,
- – ein Faltenbalg,
- – ein elastischer Ballon.
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Das starre Gebilde hat bevorzugt die gleiche Form wie die Innenoberfläche des Behälters mit nur etwas geringeren Abmessungen als die Innenoberfläche des Behälters und kann somit für eine Vielzahl gleicher Behälter eingesetzt werden. Das starre Gebilde ist besonders bevorzugt als hohles Gebilde ausgeführt.
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Der elastische Ballon kann besonders einfach durch Zuleiten eines unter Druck stehenden Gases an die Form der Innenoberfläche des Behälters angepasst werden. Der elastische Ballon weist bevorzugt Verstärkungsrippen auf, die einen Abstand der Hülle des Ballons zu der Innenoberfläche gewährleisten, so dass der Zwischenraum ausgebildet wird, und sich der elastische Ballon nicht vollständig an der Innenoberfläche des Behälters anlegt. Der Ballon wird daher bevorzugt bei der Funktionalisierung von Behältern mit unterschiedlicher Form eingeführt. Auch der Faltenbalg ermöglicht ein nachträgliches Verändern seiner Größe, so dass der Zwischenraum ein vorgegebenes Volumen einnehmen kann. Der Faltenbalg wird bevorzugt bei Behältern mit gleichem Querschnitt aber unterschiedlicher Höhe eingesetzt oder an solchen Orten, an denen nicht genug Raum ist, um das starre Gebilde in Behälter einzuführen.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform weist die Einleiteinrichtung Leitungen zum Hindurchleiten eines Gases durch die Verschlusseinrichtung und durch den gasdichten Köper auf. Somit wird das Einleiten eines Gases von außerhalb des Behälters zu mehreren Positionen des Zwischenraums durch die Verschlusseinrichtung und den gasdichten Körper hindurch ermöglicht, wodurch eine Gasverteilung im Zwischenraum mit gleichmäßigen Eigenschaften, insbesondere eine gleichmäßig Reaktivgaskonzentration im Zwischenraum möglich ist. Die Leitungen führen also im montierten Zustand von außerhalb des Behälters bzw. der Verschlusseinrichtung durch den gasdichten Körper hindurch in den Zwischenraum.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist an der Verschlusseinrichtung eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von unter Druck stehendem Gas in den gasdichten Körper angebracht. Die Zuführeinrichtung wird beispielsweise durch ein Ventil und eine durch die Verschlusseinrichtung führende Leitung gebildet, so dass Druckluft in den gasdichten Körper eingebracht werden kann. Es ist somit die Größe des gasdichten Körpers nach Einführen des gasdichten Körpers in den Behälter durch Zuführen eines unter Druck stehenden Gases in den gasdichten Körper veränderbar.
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Die für das erfindungsgemäße Verfahren offenbarten Details und Vorteile lassen sich auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragen und anwenden und umgekehrt.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele zeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
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1: eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2: eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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3: eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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4: eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
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5: eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 5 zum Funktionalisieren einer Innenoberfläche 1 eines Behälters 2. Die Vorrichtung 5 umfasst einen gasdichten Körper 3, der mit Hilfe von Abstandshaltern 17 in dem Behälter 2 anordenbar ist, so dass ein Zwischenraum 4 ausgebildet wird. Die Vorrichtung 5 umfasst ferner eine Verschlusseinrichtung 6 zum Schließen des Behälters 2, wenn der gasdichte Körper 3 in dem Behälter 2 angeordnet ist. Mit der Verschlusseinrichtung 6 ist eine Einleiteinrichtung 7 verbunden, die eine Behandlungsgaseinleitung 14 und eine Spülgaseinleitung 15 aufweist. Mit der Einleiteinrichtung 7 kann ein Behandlungsgas und/oder Spülgas in den Zwischenraum 4 eingeleitet werden. Ferner ist eine Abzugeinrichtung 13 vorgesehen, die das in dem Zwischenraum 4 befindliche Gas abführen kann.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei geöffneter Verschlusseinrichtung 6 zunächst der gasdichte Körper 3 in dem Behälter 2 angeordnet, so dass der Zwischenraum 4 gebildet wird. Anschließend wird der Behälter 2 mit der Verschlusseinrichtung 6 verschlossen. Zur Spülung des Zwischenraums 4 wird ein Spülgas durch die Spülgaseinleitung 15 in den Zwischenraum 4 eingeleitet und von der Abzugseinrichtung 13 abgesaugt. Die Abzugseinrichtung 13 kann auch einen Unterdruck in dem Zwischenraum 4 erzeugen und/oder aufrecht erhalten. Anschließend wird ein Behandlungsgas umfassend Fluor über die Behandlungsgaseinleitung 14 der Einleiteinrichtung 7 in den Zwischenraum 4 eingeleitet. Der Zwischenraum 4 kann kontinuierlich mit dem Behandlungsgas durchströmt werden. Es ist ebenso erfindungsgemäß möglich, das Behandlungsgas für eine gewisse Zeit in dem Zwischenraum 4 vorzuhalten und anschließend durch die Abzugseinrichtung 13 zu entfernen. Nach der Behandlung mit dem Behandlungsgas kann der Zwischenraum 4 erneut mit einem Spülgas gespült werden. Durch das relativ kleine Verhältnis des Volumens des Zwischenraums 4 zu dem Innenvolumen des Behälters 2 wird die benötigte Menge an Behandlungsgas zur Funktionalisierung der Innenoberfläche 1 des Behälters 2 stark reduziert.
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Die Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den 2 bis 5 werden hauptsächlich im Hinblick auf ihre Unterschiede zu der Ausführungsform in 1 beschrieben. Gleiche Elemente sind dabei mit gleichen Bezugszeichen beschrieben.
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2 stellt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 5 dar. Der gasdichte Körper 3 ist hierbei fest mit der Verschlusseinrichtung 6 verbunden und durch ein starres Gebilde 8 realisiert. Das starre Gebilde 8 kann somit für eine Vielzahl gleicher Behälter 2 verwendet werden. Das starre Gebilde 8 ist bevorzugt als hohles Gebilde ausgeführt. In dieser Ausführungsform wird das Gas nicht durch die Verschlusseinrichtung 6 in den Zwischenraum eingeführt sondern durch eine Seitenwand des Behälters 2.
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In 3 ist eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 5 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist der gasdichte Körper 3 ebenfalls wie in 2 durch ein starres, hohles Gebilde 8 realisiert, wobei in dem Gebilde 8 Leitungen 11 ausgebildet sind, die über die Einleiteinrichtung 7 mit einem Spülgas und/oder Behandlungsgas durchströmt werden können, so dass das Spülgas und/oder Behandlungsgas zu verschiedenen Positionen des Zwischenraums 4 geleitet wird.
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4 zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 5. Anders als in den vorhergehenden Ausführungsformen weist der Behälter 2 nur eine kleine Öffnung auf. Durch diese Öffnung ist ein gasdichter Körper 3 in den Behälter 2 eingeführt, der durch einen Ballon 10 gebildet ist. Der Ballon 10 kann über eine Zuführeinrichtung 12 mit einer Druckgaseinleitung 16 mit einem unter Druck stehenden Gas befüllt werden. Durch Einleiten von Druckluft oder Entziehen der Luft kann der Ballon 10 in seiner Größe verändert werden und somit das Volumen des Zwischenraums 4 beeinflusst werden. Der Ballon 10 kann also in einem zusammengefalteten Zustand in den Behälter 2 eingeführt werden und anschließend durch Zuführen von Druckluft in seinem Volumen vergrößert werden.
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In 5 ist eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 5 gezeigt. Der gasdichte Körper 3 ist hier durch ein Faltenbalg 9 gebildet, der an der Verschlusseinrichtung 6 befestigt ist. Der Faltenbalg 9 kann über eine Zuführeinrichtung 12 mit unter Druck stehendem Gas gefüllt werden und so in seiner Größe verändert werden Die Vorrichtung 5 lässt sich somit an unterschiedliche Größen der Behälter 2 anpassen.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 5 und dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich der Verbrauch an Behandlungsgas bei der Funktionalisierung von großen Behältern 2 drastisch senken und eine gleichmäßige Fluorierung der Innenoberfläche 1 des Behälters 2 erreichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Innenoberfläche
- 2
- Behälter
- 3
- gasdichter Körper
- 4
- Zwischenraum
- 5
- Vorrichtung
- 6
- Verschlusseinrichtung
- 7
- Einleiteinrichtung
- 8
- Gebilde
- 9
- Faltenbalg
- 10
- Ballon
- 11
- Leitung
- 12
- Zuführeinrichtung
- 13
- Abzugeinrichtung
- 14
- Behandlungsgaseinleitung
- 15
- Spülgaseinleitung
- 16
- Druckgaseinleitung
- 17
- Abstandshalter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0566883 B1 [0002]
- EP 0210344 A2 [0003]
