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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Pumpenaggregat, insbesondere für ein Kalibrierwerkzeug einer Extrusionsanlage.
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Extrusionsanlagen zur Herstellung von stranggepressten Profilen, insbesondere von stranggepressten Hohlprofilen aus thermoplastischem Kunststoff, weisen üblicherweise Formgebungseinrichtungen auf, mit welchen die aus einer Extrusionsdüse des Extrusionswerkzeugs austretenden plastischen Profilstränge, beispielsweise Hohlprofile oder Rohre, auf die gewünschten Außen- und Innenabmessungen kalibriert und in den gewünschten Abmessungen eingefroren bzw. zur Erzielung der gewünschten Eigensteifigkeit auf die dazu erforderlichen Temperaturen abgekühlt werden. Typischerweise werden dazu Vakuumkalibriereinrichtungen mit integrierten Kühleinrichtungen verwendet. Die Vakuumkalibriereinrichtung ist dabei so ausgebildet, dass das noch plastische extrudierte Profil mithilfe des angelegten Vakuums an die Formflächen der Kalibrierblenden des Kalibrierwerkzeugs angesaugt wird. Zwischen den Kalibrierblenden können Hohlräume in Form vom Vakuumschlitzen ausgebildet sein. Zur Abkühlung der extrudierten und kalibrierten Profile können Formflächen verwendet werden, in denen Kühlkanäle für ein Temperiermedium, üblicherweise Wasser, ausgespart sind. Außerdem können Kühleinrichtungen wie Wasserbäder, Sprühbäder und ähnliche dem Fachmann bekannte Einrichtungen verwendet werden. Extrusionsanlagen mit derartigen Kalibrierwerkzeugen und entsprechenden Kühleinrichtungen sind beispielsweise in dem Buch von
Walter Michaeli „ Extrusionswerkzeuge für Kunststoff- und Kautschuk", Karl Hanser Verlag, München/Wien, 2. Auflage, 1991, beschrieben. Außerdem wird beispielhaft auf die Europäische Patentanmeldung
EP 0879132 A1 und den dort genannten Stand der Technik verwiesen.
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Zur Erzeugung des Unterdrucks an den Werkzeugwänden des Kalibrierwerkzeugs werden üblicherweise Vakuumpumpen verwendet. Durch die Kühlung des Extrudats mit einem flüssigen Kühlmedium, wie beispielsweise Wasser, fällt im Kalibrierwerkzeug deshalb üblicherweise ein Fluidgemisch, das flüssige und gasförmige Medien umfasst, typischerweise ein Wasser-Luft-Gemisch, an, das abgeführt und getrennt werden muss.
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In dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 20206606 U1 wird ein Pumpenaggregat für ein Kalibrierwerkzeug einer Extrusionsanlage beschrieben, das einen Abscheider, der wenigstens einen Fluideinlass für ein Fluidgemisch, das flüssige und gasförmige Medien umfasst, wenigstens einen Fluidauslass und wenigstens einen Gasauslass aufweist, Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks in dem Abscheider, die mit dem Gasauslass und dem Fluideinlass kommunizieren, Mittel zum Absaugen des Fluids, die mit dem Fluidauslass kommunizieren, und Mittel zur Bestimmung des Füllstandes des Fluids in dem Abscheider umfasst. Der Abscheider ist zwischen dem Kalibrierwerkzeug und einer zentralen Vakuumpumpe angeordnet. Die Mittel zur Bestimmung des Füllstandes des Fluids in dem Abscheider umfassen bei der bekannten Vorrichtung eine Schwimmeranordnung, die über eine Stellvorrichtung mit einem an der Mündungsöffnung des Fluidauslasses angeordneten beweglichen Verschlusskörper zusammenwirkt, so dass der Fluidauslass in Abhängigkeit von der Höhe des Wasserspiegels bedarfsweise geöffnet und verschlossen werden kann. Dadurch wird gewährleistet, dass stets nur flüssiges Medium aus dem Abscheider abgeführt wird. Bei einer Ausführungsform ist in dem Pumpenaggregat des Standes der Technik dem ersten Abscheider ein Zyklonabscheider nachgeschaltet, der gewährleistet, dass eine nahezu vollständige Trennung des flüssigen und gasförmigen Mediums erfolgt, so dass ein Ansaugen des flüssigen Mediums in die Vakuumpumpe vermieden wird. Außerdem kann der Gasraum des Zyklonabscheiders als Unterdruckspeicher dienen, so dass ein gezielter Unterdruckaufbau in den einzelnen Unterdrucktanks des Kalibrierwerkzeugs bei gleichzeitiger Trennung der Medien in den beiden Abscheidern erreicht wird. Dazu sind in den Unterdruckleitungen zwischen dem Zyklonabscheider und dem Kalibrierwerkzeug zahlreiche Drosselventile angeordnet.
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Das in
DE 20206606 U1 beschriebene Pumpenaggregat ist jedoch mit Nachteilen behaftet. So ist die mechanische Schwimmer- und Stelleinrichtung im ersten Flüssigkeitsabscheider störanfällig. Ferner ist die Einstellung des Vakuums im Kalibrierwerkzeug über zahlreiche Drosselventile aufwendig und teuer.
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Aus der internationalen Patentanmeldung
WO 2012/072601 der Anmelderin ist ein Pumpenaggregat für ein Kalibrierwerkzeug einer Extrusionsanlage bekannt, das einen Abscheider aufweist, der einen Fluideinlass für ein Fluidgemisch aus flüssigen und gasförmigen Medien, einen Flüssigkeitsauslass und einen Gasauslass umfasst. Eine Vakuumpumpe mit regelbarer Drehzahl zur Erzeugung eines Unterdrucks in dem Abscheider und eine Förderpumpe mit regelbarer Drehzahl zum Absaugen der im Abscheider angesammelten Flüssigkeit sind jeweils direkt in den Abscheider integriert. Ferner sind Mittel zur Bestimmung des Füllstandes der Flüssigkeit in dem Abscheider vorgesehen, die über eine Regeleinrichtung die Drehzahl der Förderpumpe in Abhängigkeit vom Füllstand der Flüssigkeit in dem Abscheider regeln. Das aus
WO 2012/072601 bekannte Pumpenaggregat ist aufgrund der Integration der Vakuumpumpe und der Förderpumpe bereits sehr kompakt aufgebaut. Allerdings sind immer noch zwei separate Pumpen mit ihren jeweiligen Antrieben und Regeleinrichtungen vorgesehen, wobei die Regeleinrichtungen aufeinander angepasst werden müssen, da beispielsweise die Förderung der Flüssigkeit aus dem Abscheider mit der Förderpumpe den Unterdruck im Abscheider beeinflusst, der wiederum von der Vakuumpumpe geregelt wird. Ein derartig aufwendiges Pumpenaggregat mit entsprechend komplexer Regelung ist jedoch nicht für alle Anwendungsfälle erforderlich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ausgehend von dem aus der internationalen Patentanmeldung
WO 2012/072601 bekannten Pumpenaggregat ein noch kompakteres, einfacheres und kostengünstigeres Pumpenaggregat für ein Kalibrierwerkzeug einer Extrusionsanlage bereitzustellen.
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Gelöst wird dieses technische Problem durch das Pumpenaggregat gemäß vorliegendem Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung betrifft demnach ein Pumpenaggregat mit einem Abscheider, der wenigstens einen Fluideinlass für ein Fluidgemisch, das flüssige und gasförmige Medien umfasst, wenigstens einen Flüssigkeitsauslass und wenigstens einen Gasauslass aufweist, einer in den Abscheider integrierten Vakuumpumpe zur Erzeugung eines Unterdrucks in dem Abscheider, die mit dem Fluideinlass und dem Gasauslass kommuniziert, wobei eine Drucköffnung der Vakuumpumpe den Gasauslass des Abscheiders bildet, einer in den Abscheider integrierten Förderpumpe zum Absaugen der in dem Abscheider gesammelten Flüssigkeit, wobei eine Drucköffnung der Förderpumpe den Flüssigkeitsauslass des Abscheiders bildet. Das erfindungsgemäße Pumpenaggregat ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumpumpe und die Förderpumpe auf einer gemeinsamen Motorwelle eines Antriebsmotors angeordnet sind.
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Die über die Förderpumpe abtransportierte Flüssigkeit kann, je nach Effizienz des Abscheiders, selbstverständlich noch mehr oder weniger Gasanteile enthalten. Letztlich wird das in den Abscheider gesaugte Fluid in einen Gasanteil und einen Fluidanteil mit, verglichen mit dem angesaugten Fluid, abgereichertem Gasanteil aufgetrennt. Der Einfachheit halber ist im Folgenden aber stets von der abgetrennten Flüssigkeit die Rede.
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Im Gegensatz zu dem aus der internationalen Patentanmeldung
WO 2012/072601 bekannten Pumpenaggregat weist das erfindungsgemäße Pumpenaggregat lediglich einen Antriebsmotor auf, der sowohl die Vakuumpumpe als auch die Förderpumpe antreibt. Das erfindungsgemäße Pumpenaggregat ist daher kostengünstiger herstellbar. Aufgrund der Anordnung beider Pumpen auf einer gemeinsamen Motorwelle ergibt sich außerdem eine noch kompaktere Bauweise, da der Abscheider eine niedrigere Bauhöhe aufweisen kann.
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Vorzugsweise ist der Antriebsmotor ein Antriebsmotor mit regelbarer Drehzahl, so dass sich der im Abscheider herrschende Unterdruck und die Fördermenge der von der Förderpumpe aus dem Abscheider abtransportierten Flüssigkeit über eine Änderung der Drehzahl des Antriebsmotors steuern lassen.
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Aufgrund der Anordnung der Förderpumpe und der Vakuumpumpe auf einer gemeinsamen Motorwelle sind jedoch der einstellbare Unterdruck und die Förderleistung an abzutransportierender Flüssigkeit nicht mehr unabhängig voneinander steuerbar. Vorzugsweise erfolgt die Regelung des Antriebsmotors daher so, dass im Abscheider ein gewünschter Unterdruck erzielt wird. Besonders bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Pumpenaggregat daher einen in den Abscheider angeordneten Drucksensor, der den im Abscheider herrschenden Druck misst. Der Antriebsmotor umfasst vorzugsweise eine Regeleinrichtung, welche die Drehzahl des Antriebsmotors in Abhängigkeit von dem durch den Drucksensor ermittelten Druck regelt. Besonders wird dazu in der Regeleinrichtung ein Sollwert des im Abscheider gewünschten Druckes vorgegeben und die Regelung des im Abscheider herrschenden Unterdrucks erfolgt durch Messung des Ist-Drucks im Abscheider durch den Drucksensor und eine entsprechende Regelung des Drucks auf den Sollwert durch Regelung der Drehzahl des Antriebsmotors. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Antriebsmotor dann um einen Elektromotor. Zur Regelung der Drehzahl des Elektromotors kann die Regeleinrichtung in diesem Fall einen Frequenzumrichter mit PID-Regler umfassen. Die Regeleinrichtung kann außerdem ein integriertes oder externes Bedienteil umfassen, um das die der die Drehzahl über einen Frequenzumrichter mit PID-Regler eingestellt wird.
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Da die Förderpumpe auf der gleichen Motorwelle wie die Vakuumpumpe angeordnet ist, kann die Förderleistung der Förderpumpe nicht mehr durch eine von der Drehzahl der Vakuumpumpe unabhängige Anpassung der Drehzahl verändert werden. Vorzugsweise wird man die Förderpumpe daher so auslegen, dass selbst bei niedrigster Drehzahl des Antriebsmotors die anfallende Flüssigkeit zuverlässig ausgetragen werden kann. Bevorzugt wird als Förderpumpe eine Kreiselpumpe eingesetzt, welche die Zentrifugalkraft zur Förderung der Flüssigkeit nützt. Das Laufrad der Förderpumpe ist dabei so ausgestaltet, dass die Förderpumpe umso mehr Flüssigkeit fördert, je höher der Flüssigkeitsfüllstand im Abscheider ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kreiselpumpen, wie beispielsweise Radialpumpen, bei denen die Saugöffnung voll mit Flüssigkeit bedeckt sein muss, damit die Ansaugströmung nicht abreißt, ist das Laufrad der Förderpumpe des erfindungsgemäßen Pumpenaggregats vorzugsweise so ausgestaltet, dass das Laufrad auch bei teilbedeckter Saugöffnung fördern kann oder, bei einem Flüssigkeitsstand im Abscheider unterhalb der Saugöffnung einfach nur frei mitdrehen kann.
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Das erfindungsgemäße Pumpenaggregat benötigt daher im Gegensatz zu dem aus
WO 2012/072601 bekannten Pumpenaggregat auch keinen Füllstandsensor mehr, und somit auch keinen zweiten Frequenzumrichter und entsprechend aufwendige Verkabelung. Damit lassen sich weitere Kosteneinsparungen realisieren. Gleichwohl kann als eine Art Sicherheitseinrichtung ein Füllstandsensor im Abscheider angeordnet werden, welcher beispielsweise einer Störung der Anlage das Kundenaggregat abschaltet. Als Füllstandsensor kann beispielsweise ein im Boden und/oder in der Seitenwand des Abscheiders installierter Drucksensor eingesetzt werden. Vorzugsweise werden zwei Drucksensoren verwendet, wobei der im oberen Bereich des Abscheiders angeordnete Drucksensor den Druck im Gasraum des Abscheiders misst, während der im Bodenbereich des Abscheiders angeordnete Drucksensor den Gesamtdruck aus Druck im Gasraum und dem durch den Füllstand der Flüssigkeit oberhalb des Drucksensors erzeugten Druck misst, so dass aus dem Differenzdruck der Füllstand oberhalb des Drucksensors errechnet werden kann. Es sind selbstverständlich auch andere Vorrichtungen zur Messung der Füllstandshöhe einsetzbar, beispielsweise kann ein am Innenmantel des Abscheiders angeordneter Streifen mit mehreren übereinander angeordneten Leitfähigkeitssensoren den Übergang von der flüssigen Phase zum Gasraum detektieren.
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Die zur Erzeugung des Unterdrucks verwendete Vakuumpumpe ist vorzugsweise eine Flüssigkeitsringvakuumpumpe, die insbesondere zur Erzeugung eines Vakuums von weniger als 800 mbar absolut eingesetzt wird, oder eine Seitenkanalvakuumpumpe, die bevorzugt zur Erzeugung eines Vakuums von mehr als 800 mbar absolut eingesetzt wird.
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Als Abscheider kommen beliebige, aus dem Stand der Technik bekannte Flüssigkeits-Gas-Abscheider in Frage. Bevorzugt werden in dem erfindungsgemäßen Pumpenaggregat jedoch Gravitationsabscheider oder Abscheider verwendet, die nach dem Zyklonprinzip arbeiten.
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Das erfindungsgemäße Pumpenaggregat ist für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar, bei denen ein Fluidgemisch aus Gasen und Flüssigkeiten in eine im wesentlichen Gase enthaltende Phase und eine im Wesentlichen Flüssigkeiten enthaltende Phase getrennt werden müssen. Besonders bevorzugt eignet sich das erfindungsgemäße Pumpenaggregat jedoch für den Einsatz bei Kalibrierwerkzeugen einer Extrusionsanlage. Dazu ist vorzugsweise der Fluideinlass des Abscheiders über eine Unterdruckleitung mit einem Kalibrierwerkzeug einer Extrusionsanlage verbunden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer in den beigefügten Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsform näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Pumpenaggregats;
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2 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Pumpenaggregats und
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3 eine der 2 im Wesentlichen entsprechende Seitenansicht mit Teilbereichen im Querschnitt.
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In
1 ist ein insgesamt mit der Bezugsziffer
10 bezeichnetes Pumpenaggregat gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Pumpenaggregat
10 umfasst einen Abscheider
11, der im dargestellten Beispiel zwei Fluideinlässe
12,
12a für ein Fluidgemisch, das flüssige und gasförmige Medien umfasst, wenigstens einen Füssigkeitsauslass
13 und wenigstens einen Gasauslass
14 aufweist. Der Fluideinlass
12,
12a kann über eine (nicht dargestellte) Unterdruckleitung mit einem (ebenfalls nicht dargestellten) Kalibrierwerkzeug einer (nicht dargestellten) Extrusionsanlage verbunden werden. Für eine detaillierte Beschreibung einer derartigen Extrusionsanlage mit einem oder mehreren Kalibrierwerkzeugen wird auf die europäische Patentanmeldung
EP 0879132 A1 bzw. auf das deutsche Gebrauchsmuster
DE 20206606 U1 verwiesen.
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Das erfindungsgemäße Pumpenaggregat umfasst einen Antriebsmotor 15, der im dargestellten Beispiel als Elektromotor ausgebildet ist, welcher über eine Regeleinrichtung 16 geregelt wird.
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Wie man insbesondere der Querschnittsdarstellung der 3 entnehmen kann, sind auf einer Motorwelle 17 des Antriebsmotors 15 ein Laufrad 18 einer Vakuumpumpe 19 und ein Laufrad 20 einer Flüssigkeitsförderpumpe 21 angeordnet. Die Vakuumpumpe 19 weist eine Saugöffnung 22 auf, die ins Innere des Abscheiders 11 mündet und somit über den Innenraum des Abscheiders 11 mit dem Fluideinlass 12, 12a, des Abscheiders kommuniziert. Über die Vakuumpumpe 19 wird in dem Abscheider 11 ein Unterdruck erzeugt, so dass durch den mit dem Kalibrierwerkzeug verbundenen Fluideinlass 12, 12a ein Fluidgemisch, beispielsweise ein Gas/Wasser-Gemisch vom Kalibrierwerkzeug in den Abscheider 11 gesaugt wird. In dem Abscheider 11 werden die flüssigen und gasförmigen Medien weitgehend getrennt. Die abgetrennten gasförmigen Medien werden über die Saugöffnung 22 und das Laufrad 18 der Vakuumpumpe 19 in die Druckstufe der Vakuumpumpe 19 transportiert. Wie man den Darstellungen der 1 bis 3 entnimmt, ist die Vakuumpumpe 19 in den Abscheider integriert, so dass der Druckauslass der Vakuumpumpe 19 den Gasauslass 14 des Abscheiders bildet.
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Im unteren Bereich 23 des Abscheiders 11 sammelt sich das aus dem Fluidgemisch abgetrennte flüssige Medium an, das über die Flüssigkeitsförderpumpe 21 abgesaugt wird. Dazu weist die Förderpumpe 21 eine axiale Ansaugöffnung 24 auf, die in das Zentrifugallaufrad 20 der Förderpumpe 21 übergeht. Die Förderpumpe 21 ist ebenfalls derart in das Gehäuse des Abscheiders 11 integriert, dass die Auslassöffnung der Druckstufe der Förderpumpe den Flüssigkeitsauslass 13 des Abscheiders 11 bildet.
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Im Kopfbereich 25 des Abscheiders 11 ist ein Vakuumsensor 26 angeordnet, welcher den Druck im Abscheider misst. Der Vakuumsensor 26 ist mit der Regeleinrichtung 16 verbunden, welche die Drehzahl des Antriebsmotors 15 über einen in die Regeleinrichtung 16 integrierten Frequenzumrichter mit PID-Regler so regelt, dass der im Abscheider 11 gemessene Unterdruck einem vorgegebenen Sollwert weitgehend entspricht. Die Regeleinrichtung umfasst außerdem ein (nicht dargestelltes) Bedienteil, über welches der gewünschte Unterdruck eingestellt werden kann. Das Bedienteil kann in die Regeleinrichtung 16 integriert sein oder als externes Bedienteil kabellos oder kabelgebunden mit dem Frequenzumrichter und dem PID-Regler der Regeleinrichtung 16 kommunizieren.
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Das Laufrad 20 der Förderpumpe 21 ist so gestaltet, dass eine Flüssigkeitsförderung auch dann möglich ist, wenn die axiale Ansaugöffnung 24 nur teilweise mit Flüssigkeit bedeckt ist. Wenn das Flüssigkeitsniveau im Abscheider 11 sogar unterhalb der Unterkante 27 der Ansaugöffnung 24 liegt, kann die Förderpumpe auch problemlos frei mitdrehen. Die Förderpumpe 21 ist in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall so ausgelegt, dass auch bei niedrigster Betriebsdrehzahl des Antriebsmotors alle typischerweise zu erwartende Flüssigkeit abtransportiert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Pumpenaggregat
- 11
- Abscheider
- 12
- Fluideinlass
- 12a
- Fluideinlass
- 13
- Flüssigkeitsauslass
- 14
- Gasauslass
- 15
- Antriebsmotor
- 16
- Regeleinrichtung
- 17
- Motorwelle
- 18
- Laufrad der Vakuumpumpe
- 19
- Vakuumpumpe
- 20
- Laufrad der Förderpumpe
- 21
- Flüssigkeitsförderpumpe
- 22
- Saugöffnung der Vakuumpumpe
- 23
- unterer Bereich des Abscheiders
- 24
- axiale Ansaugöffnung der Flüssigkeitsförderpumpe
- 25
- Kopfbereich des Abscheiders
- 26
- Vakuumsensor
- 27
- Unterkante der Ansaugöffnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0879132 A1 [0002, 0023]
- DE 20206606 U1 [0004, 0005, 0023]
- WO 2012/072601 [0006, 0006, 0007, 0011, 0015]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Walter Michaeli „ Extrusionswerkzeuge für Kunststoff- und Kautschuk“, Karl Hanser Verlag, München/Wien, 2. Auflage, 1991 [0002]
