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Die
Erfindung betrifft eine Lochplatte für einen Unterwassergranulator
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen Unterwassergranulator
mit einer solchen Lochplatte.
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Unterwassergranulatoren
werden zum Heißgranulieren
von Kunststoffen eingesetzt. Dabei wird schmelzflüssiger Kunststoff
von einem Extruder durch eine Lochplatte hindurch in eine vollständig mit Wasser
geflutete Kammer gespritzt. Die an der Oberfläche der Lochplatte aus Düsenbohrungen
austretende Polymerschmelze wird mittels eines mit hoher Rotationsgeschwindigkeit über die
Oberfläche
rotierenden Messerkopfes durchtrennt und erstarrt im Wasser zu kugel-
bzw. linsenförmigem
Granulat. Mit dem Wasserstrom wird das Granulat aus der Kammer abgeführt und
anschließend
getrocknet.
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Die
Lochplatten bestehen in der Regel aus legierten Stählen, insbesondere
Werkzeugstahl. Dieser ist für
die üblichen
Schmelzetemperaturen von Polymeren bis 350° C geeignet. Die Legierungsbestandteile
vermindern abrasiven und korrosiven Verschleiß, der beim Durchströmen verschiedener
Polymerschmelzen und aufgrund des angepressten rotierenden Messerkopfes
auftritt. Auch gegenüber
Wasser ist der Stahl korrosionsbeständig.
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Bei
diesem Granulierprozess kommen der Lochplatte verschiedene Funktionen
zu. Einerseits dient die Lochplatte dazu, die Polymerschmelze auf die
zumeist konzentrisch in einer oder mehreren Reihen angeordneten
Düsen zu
leiten. Zum anderen ist die Lochplatte so ausgebildet, dass der
Schmelzestrom gleichmäßig mit
nur geringem Druckverlust auf die Düsen verteilt wird. Schließlich besteht
ein weiteres Bestreben darin, die Lochplatte so auszubilden, dass
die Schmelzetemperatur vom Eintritt in die Lochplatte bis zum Austritt
aus der Düsenbohrung möglichst
konstant gehalten wird.
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Besondere
Anstrengungen werden unternommen, um sicherzustellen, dass die Lochplatte beim
Granulieren immer auf Schmelzetemperatur gehalten wird. Denn während des
Granulierprozesses wird der an die Wasserkammer angrenzenden Lochplatte
ständig
Wärme durch
das vorbeiströmende
Wasser entzogen. Sinkt aber die Temperatur der Lochplatte unter
einen kritischen Wert, der je nach verarbeitetem Polymer unterschiedlich
sein kann, so friert die Schmelze in den Düsenbohrungen ein. Das heißt, die
in den Düsenbohrungen
befindliche Polymerschmelze erstarrt ganz oder teilweise. Damit
ist kein Granulieren mehr möglich,
oder zumindest fließt die
Schmelze bei nur teilweise zugefrorenen Düsen ungleichmäßig, was
zu ungleichförmigem
Granulat bezüglich
dessen geometrischen Abmessungen führt. Daher wird die Lochplatte
in der Regel elektrisch oder fluidisch, beispielsweise mittels eines Wärmeträgeröls oder
mit Dampf, beheizt, um die Temperatur der Lochplatte auf dem notwendigen Wert
zu halten. Entsprechende Leitungen führen dazu innerhalb der Lochplatte
zu den Düsen
und um die Düsen
herum.
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Desweiteren
ist es üblich,
die an die Wasserkammer angrenzende Oberfläche der Lochplatte thermisch
zu isolieren. Aus der
DE
202 14 743 U1 ist es beispielsweise bekannt im zentralen
Bereich der Lochplatte innerhalb des Düsenlochkreises einen Isolierstopfen
in einer Aussparung einzusetzen, um die Wärmeübertragung von der Lochplatte
in die Wasserkammer in diesem Bereich zu verringern. Der Isolierstopfen
ist so ausgebildet, dass zwischen dem Stopfen und dem Grundkörper der
Lochplatte ein isolierender Luftspalt verbleibt. Durch eine zentrale
Bohrung in dem Isolierstopfen ist eine Befestigungsschraube geführt, um
den Isolierstopfen durch den Grundkörper hindurch mit einem an
der gegenüberliegenden
Oberfläche
der Lochplatte angesetzten Strömungskegel
zu verspannen und dadurch beide Bauteile zu fixieren.
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Problematisch
bei dieser Art der Isolierung sind die Dichtspalte zwischen dem
Isolierstopfen und dem Grundkörper
der Lochplatte. In Folge der hohen mechanischen Belastungen, denen
die mechanische Verbindung und der Dichtspalt im Granulierbetrieb ausgesetzt
sind, unterliegen beide einem Verschleiß, so dass die Dichtwirkung
nachlässt
und Wasser durch den Dichtspalt in den Luftspalt unter dem Isolierstopfen
eindringen kann. Wenn unter den Isolierstopfen Wasser dringt, wird
dieses in Folge der hohen Temperatur der Lochplatte verdampfen.
Damit kann sich ein unkontrolliert hoher Druck aufbauen, der zur
Zerstörung
der Konstruktion führen
kann. Bereits bei Eindringen geringer Mengen Wassers in den isolierenden
Luftspalt verschlechtern sich die Wärmeisoliereigenschaften, da
feuchte Luft Wärme
besser leitet als trockene Luft. Dementsprechend ist eine hochgenaue
Fertigung der Dichtstellen notwendig, was die Kosten der Fertigung
in die Höhe
treibt.
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Das
Prinzip der Isolierung mittels einer Isolierschicht, insbesondere
eines Luftspalts, ist beispielsweise auch aus der WO 03/031132 bekannt, sowie
aus der
DE 37 84 286
T2 , wo der Spalt allerdings mit Isoliermaterial gefüllt ist.
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Im
Falle der WO 03/031132 A1 wird die Stirnfläche der Lochplatte mittels
eines einteiligen keramischen Plattenkörpers abgedeckt, der sich auch
radial über
den Lochkreis der Düsenbohrungen
erstreckt. Dementsprechend besitzt der Plattenkörper Öffnungen für den Durchtritt der Düsen. Der
Plattenkörper wird
entweder auf die Lochplatte aufgespritzt. Dies ist nicht nur aufwendig,
sondern es gibt in diesem Fall auch keinen isolierenden Luftspalt.
Oder der Plattenkörper
wird auf den Grundkörper
der Lochplatte aufgeschrumpft oder aufgeschraubt. Im ersteren Fall
ist wiederum eine besonders exakte Fertigung erforderlich, um etwaige
Toleranzen des Dichtspalts aufgrund von Verschleiß oder ungleichmäßige Wärmeausdehnung
zu verhindern. Im zweiten Fall des Anschraubens ergeben sich ebenfalls
die bereits zuvor genannten Probleme mangelnder Dichtigkeit des Dichtspalts.
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In
der
DE 37 84 268 T2 wird
der Isolierspalt durch ein geeignetes Isoliermaterial gebildet und
mit einer Deckscheibe abgedeckt, die Aussparungen für den Durchtritt
der Schmelze besitzen. In den Aussparungen sind ringförmige Einsätze aus
abriebfestem Material eingesetzt und durch Löten fixiert. Desweiteren sind
aus demselben Material bestehende "Verschleißkissen" in der Oberfläche verteilt angeordnet, um
eine gleichmäßige Verteilung
von Abriebbereichen zur Verfügung
zu stellen. Die eingangs genannten Dichtigkeitsprobleme ergeben
sich aber auch hier zwischen der Deckscheibe und den darin fixierten ring förmigen Einsätzen mit
der Folge, dass Wasser unter die Deckscheibe dringen kann. Bereits
die Undichtigkeit eines einzelnen Einsatzes kann fatale Folgen für die gesamte
Vorrichtung haben.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gegenüber der
Wasserkammer gut und zuverlässig
isolierte Lochplatte vorzuschlagen. Diese Aufgabe wird durch eine
Lochplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Dementsprechend
wird lediglich ein zentraler Bereich der Lochplatte, d. h. der Bereich
innerhalb des Lochkreises der Düsen,
an der Schmelzeaustrittseite der Lochplatte mit einer Abdeckung
verschlossen, wie dies grundsätzlich
beispielsweise aus der
DE
202 14 743 U1 bekannt ist. Dadurch wird das Problem der
Undichtigkeitsstellen reduziert, da im wesentlichen nur der Umfang
der Abdeckung insofern gefährdet
ist, nicht dagegen etwaige Durchgangsöffnungen für den Durchtritt der Schmelze,
die radial außerhalb
der Abdeckung durch die Lochplatte hindurchtreten. Erfindungsgemäß ist es
nun vorgesehen, diese Abdeckung rundherum in abdichtender und fixierender
Weise mit der Lochplatte zu verschweißen oder vorzugsweise zu verkleben.
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Dadurch
wird eine dauerhafte dichte Verbindung zwischen der Abdeckung und
dem angrenzenden Teil der Lochplatte hergestellt, die auch durch Temperaturschwankungen
und mechanische Einflüsse
nicht zerstört
wird. Selbstverständlich
ist es sinnvoll, die Abdeckung aus einem Material zu fertigen, das
in etwa den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
besitzt wie das angrenzende Material der Lochplatte.
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Die
Verwendung eines Klebstoffs ist besonders geeignet, weil Klebstoffe
in der Regel selbst aus einem thermisch isolierenden Kunststoff
bestehen.
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Die
durch die Abdeckung verschlossene Isolierkammer kann gegebenenfalls
mit Isoliermaterial gefüllt
sein. Es ist aber bevorzugt, die Isolierkammer als Vakuumkammer
auszubilden, in der ein möglichst hoher
Unterdruck im Ver gleich zum atmosphärischen Druck herrscht. Denn
bekanntermaßen
isoliert Vakuum besser als eine Luftschicht. Indem die Abdeckung rundherum
durch Verschweißen
oder Verkleben luftdicht abgedichtet ist, ist es nun möglich, ein
solches Vakuum in der Isolierkammer dauerhaft aufrecht zu erhalten.
Beispielsweise kann die Abdeckung im Vakuum durch Elektronenstrahlschweißen oder
Laserstrahlschweißen
mit dem angrenzenden Material der Lochplatte in abdichtender Weise
dauerhaft verbunden werden.
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Etwaige
weitere Bauteile werden vorzugsweise nur auf der Schmelzeeintrittseite
an die Lochplatte angebaut, um auf der Schmelzeaustrittseite keine
weiteren Dichtigkeitsschwachstellen zu erzeugen. Dementsprechend
ist die Lochplatte an prozessvorgelagerten Bauteilen, wie z. B.
Anfahrventil, Schmelzefilter, Extruder, Adapter, etc., so befestigt, dass
die dafür
notwendigen Befestigungsmittel nicht auf der schmelzeaustrittseitigen
Oberfläche
der Lochplatte ansetzen und durch den Lochplattenkörper oder
außerhalb
davon geführt
werden. Dadurch ist die Lochplatte schmelzeaustrittseitig frei von
derartigen Befestigungsmitteln, was zur Verbesserung der Wärmeisolierung
der Lochplatte beiträgt.
So wird z. B. der im zentralen Bereich auf der Schmelzeeintrittseite
angeordnete Schmelzeleitkegel gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung an die schmelzeeintrittseitige Oberfläche der
Lochplatte angeschraubt, im Gegensatz zu der eingangs erwähnten
DE 202 14 743 U1 .
Dies ist grundsätzlich aus
der
DE 20 2004
006 914 U1 bekannt, erleichtert aber die Ausbildung einer
durchgehenden Isolierkammerabdeckung im zentralen Bereich der Lochplatte.
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Vorzugsweise
ist die Abdeckung der Isolierkammer gegenüber dem schmelzeaustrittseitigen Ende
der Düsen
geringfügig
in die Lochplatte zurückversetzt
angeordnet. Dies bietet zwei Vorteile. Zum einen ist die Abdeckung
und insbesondere der Dichtspalt vor Verschleiß durch die auf der Lochplattenoberfläche rotierenden
Messer geschützt. Zum
anderen zeigen etwaige Verschleißspuren auf der Oberfläche der
Abdeckung an, dass die Lochplatte bis zur Verschleißgrenze
abgenutzt ist.
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Desweiteren
ist es vorteilhaft, verschleißfeste
ringförmige
Einsätze
in der Lochplattenoberfläche vorzusehen,
die das austrittseitige Ende der Düsen bilden. Anders als beispielsweise
in der
DE 37 84 268 T2 durchdringen
diese Einsätze
somit nicht die Abdeckung der Isolierkammer, so dass sie keine Dichtigkeitsprobleme
verursachen. Desweiteren können ähnlich wie
in der
DE 202 14 743
U1 zusätzlich
Verschleißkissen
bildende Einsätze
in der Lochplattenoberfläche
im Bereich der Düsen,
aber beabstandet dazu, integriert sein, wobei diese Einsätze vorzugsweise
aus dem selben Material bestehen, wie die die austrittseitigen Enden
der Düsen
bildenden ringförmigen
Einsätze.
Vorzugsweise werden dazu Hartmetalleinsätze z. B. aus gesintertem Carbid
verwendet.
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Darüber hinaus
ist es vorteilhaft, außerhalb des
Düsenkreises
eine in entsprechender Weise mit einem Abdeckung abgedeckte Isolierringkammer vorzusehen,
um die Lochplatte auch in diesem Bereich gegen Wärmeverlust gegenüber der
Wasserkammer zu isolieren.
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Die
Abdeckungen der zentralen Isolierkammer und der äußeren Isolierringkammer erstrecken sich
in radialer Richtung möglichst
nah bis zum Lochkreis der Düsen.
Um darüber
hinaus eine effektive Isolierung der Düsen selbst zu erreichen, sieht
eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Düsen zumindest
teilweise durch eine in eine Bohrung eingesetzte Buchse gebildet
werden, die eine umlaufende Nut aufweist, welche zusammen mit der
Bohrung eine Isolationshülle
um die Buchse herum bildet. Die Isolationshülle kann wiederum mit Isoliermaterial
gefüllt
sein, ist vorzugsweise aber ungefüllt. Insbesondere wird die
Buchse wieder im Vakuumverfahren vollständig abdichtend in die Bohrung eingesetzt,
zum Beispiel verschweißt
oder verklebt, so dass die Isolationshülle zumindest teilweise evakuiert
ist und dadurch besonders effektive isolierende Wirkung entfaltet.
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Nachfolgend
wird die Erfindung beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen
erläutert.
Darin zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Lochplatte
im Querschnitt und
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2 eine
Schmelzeleitdüse
mit in einer Bohrung eingesetzter Buchse.
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1 zeigt
eine Lochplatte 20 mit einem Grundkörper 1, an den in
dem dargestelltem Ausführungsbeispiel
ein Adapter 2 zur Verbindung der Lochplatte 20 mit
einem Schmelzeextruder (nicht dargestellt) oder anderen prozessvorgelagerten
Bauteilen, z. B. Anfahrventil, Schmelzefilter, Schmelzepumpen etc.,
angeschraubt ist. Der Adapter 2 ist über schmelzeeintrittseitig
in die Lochplatte geschraubte Schrauben mit der Lochplatte 20 verbunden.
Alternativ kann eine schmelzedruckdichte Verbindung auch über Kegelflansche
mittels Spannketten erreicht werden.
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In
die schmelzeeintrittseitige Oberfläche des Grundkörpers 1 ist
des weiteren ein Schmelzeleitkegel 9 eingeschraubt, der
die von einem Extruder herangeführte
Schmelze gleichmäßig auf
ringförmig
um den Schmelzeleitkegel 9 angeordnete Schmelzekanäle bzw.
Düsen 8
im Grundkörper 1 verteilt.
Beispielsweise können 16 solcher
Düsen 8 auf
einem gemeinsamen Lochkreis gleichmäßig verteilt liegen. Die Schmelzeaustrittseite
der Düsen 8 wird
jeweils durch eine ringförmig,
in den Grundkörper 1 eingelötete Hartmetallscheibe
gebildet, beispielsweise aus verschleißfestem gesinterten Carbid.
Jeweils auf einem zum Düsenlochkreis
radial innenliegenden und radial außenliegenden Lochkreis sind
Verschleißkissen 10 in
den Grundkörper
eingelötet,
die aus demselben Material bestehen, wie die ringförmigen Hartmetalleinsätze 7.
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Etwas
zurückversetzt
zur Messerlauffläche bzw.
Lochplattenoberfläche 5 liegt
auf einem umlaufenden Rand einer Vertiefung eine scheibenförmige Abdeckung 4 auf,
so dass zwischen der Abdeckung 4 und dem Grundkörper 1 der
Lochplatte 20 eine Isolierkammer 11 gebildet wird.
Die Abdeckung 4 ist an ihrer Peripherie 12 über den
gesamten Umfang mit dem Grundkörper 1 in
abdichtender Weise verschweißt
oder verklebt. Die Verbindung zwischen der Abdeckung 4 und
dem Grundkörper 1 erfolgt
im Vakuum, so dass der in der Isolierkammer herrschende Druck unter
dem atmosphärischen
Druck liegt.
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In ähnlicher
Weise ist außerhalb
des zentralen Bereichs und der Düsen 8 eine
Isolierringkammer 13 mittels eines Abdeckrings 6 verschlossen.
Auch der Ab deckring 6 ist gegenüber der Lochplattenoberfläche 5 geringfügig zurückversetzt
und bildet hier mit der Abdeckung 4 vorderseitig eine Ebene,
die nur durch den vorstehenden Düsenring
unterbrochen ist. Die Höhe
des Düsenrings über dieser
Ebene definiert das zulässige
Verschleißmaß der Lochplatte
beim Nachschleifen.
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Die
Abdeckung 4 und der Abdeckung 6 können gemeinsam
im Vakuum mit dem Grundkörper 1 verbunden
werden, so dass ohne besonderen zusätzlichen Aufwand auch in der
Isolierringkammer 13 ein dauerhafter Unterdruck erzeugt
werden kann. Stattdessen kann es ausreichend oder zusätzlich sinnvoll
sein, zwischen dem Grundkörper 1 und
einem auf dem Grundkörper 1 aufgesetzten,
den Abdeckung vollständig
abdeckenden Flansch 3 eine effektive Dichtung 14 auszubilden,
beispielsweise wiederum durch Verschweißen oder Verkleben, gegebenenfalls
auch durch eine Presspassung.
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Der
Flansch 3 wird als selbständig erfinderisch angesehen
und kann verschiedene Funktionen übernehmen. Eine grundlegende
Funktion besteht natürlich
darin, dass durch die Ausbildung des separaten Flansches die Wärmeisolierung
des Grundkörpers 1 der
Lochplatte 20 zur angrenzenden Wasserkammer des nicht dargestellten
Unterwassergranulators und die Umgebung verbessert wird. Dies insbesondere,
wenn das Material des Abdeckrings 6 geringe Wärmeleitfähigkeit
besitzt. Der Flansch 3 besitzt aber weitere erfinderische
Merkmale, die von der Wärmeisolierung
völlig
unabhängig
sind und vielmehr die Montage der Lochplatte 20 an der
nicht dargestellten Wasserkammer des Unterwassergranulators dient.
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So
weist der Flansch 3 gemäß einem
ersten Aspekt eine planparallele Dichtfläche 31 auf, die an die
Wasserkammer angelegt wird und vorzugsweise ohne weitere Dichtelemente
den Wasseraustritt aus der Wasserkammer verhindert. Damit wird unter
anderem sichergestellt, dass die Schmelzeaustrittseite 5 der
Lochplatte 20 immer rechtwinklig zu der von den rotierenden
Schneidmessern (nicht dargestellt) gebildeten Schneidebene liegt.
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Darüber hinaus
besitzt der Flansch 3 gemäß einem zweiten Aspekt einen
Bund 32, der sich schmelzeaustrittseitig axial über die
Düse 8 erstreckt und
vorzugsweise eine radial außen
liegende Oberfläche
besitzt, die als Zentrierhilfe für
die Montage der Lochplatte an die Wasserkammer ausgebildet ist.
Die radial außen
liegende Oberfläche
ist vorzugsweise zylindrisch und gegebenenfalls angephast. Zur Verspannung
des Flansches 3 mit der angrenzenden Wasserkammer besitzt
der Flansch 3 außerdem
vorzugsweise eine sich radial nach außen erstreckende Kegelfläche 33,
an der geeignete Spannelemente angreifen können. Der Bund 32 verhindert
auch, dass bei geöffneter
Wasserkammer aus den Düsen 8 austretende
Schmelze auf die Dichtfläche 31 gelangt.
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Vorzugsweise
ist die radial innen liegende Oberfläche 34 des Bunds 32 trichterförmig ausgebildet.
Dadurch wird ein strömungsgünstiges
Abfließen des
Granulat-Wasser-Gemisches im Schneidbetrieb bewirkt.
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In 2 ist
eine besondere Variante zur Ausbildung der Düsen 8 dargestellt.
Dementsprechend sind an der Strömungsaustrittseite
des Grundkörpers 1 Bohrlöcher 17 vorgesehen,
in die jeweils eine Buchse 15 mit zentraler Bohrung eingesetzt
wird, durch die die Schmelze hindurchströmen kann. Das austrittseitige
Ende der Düse
kann wieder durch einen ringförmigen
Einsatz 10 aus einem verschleißbeständigen Material, vorzugsweise
gesintertes Carbid, gebildet werden. Zur Verbesserung der Isolierung des
zentralen Kanals der Buchse 15 besitzt die Buchse 15 eine
umlaufende Nut 16, die zusammen mit der Bohrung 17 eine
Isolationshülle
um die Buchse herum bildet. Diese Isolationshülle kann wiederum mit Isoliermaterial
gefüllt
sein, ist aber vorzugsweise ungefüllt. Insbesondere herrscht
auch dort ein Unterdruck. Ein Wärmeverlust
vom Schmelzekanal über den
Grundkörper 1 der
Lochplatte 20 in die angrenzende Wasserkammer wird dadurch
wesentlich reduziert.