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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Dosieren eines Gemischs
aus mindestens zwei Gasen, zum Beispiel eines Gemischs aus einem
Brenngas und einem Sauerstoffträgergas.
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Die
Regelung der Zusammensetzung der Atmosphäre in einem Brennofen,
insbesondere zur Aufrechterhaltung der unterschiedlichen Zusammensetzungen
in den einzelnen und miteinander verbundenen Zonen innerhalb des
Brennofens bzw. zur optimalen Ausbildung dieser Zusammensetzung
im Verlauf eines Arbeitsgangs, stellt gemeinhin ein Problem dar,
das aus mehreren Anwendungsbereichen der Fertigungstechnik bekannt
ist, unter anderem bei der:
- • Herstellung
von Metalldrähten
- • Herstellung von Hohlglas, und in der
- • verarbeitenden Industrie von NE-Metallen oder reaktiven
Metallen, zum Beispiel Kupfer, sowie in weiteren Anwendungsbereichen,
bei denen es zu atmosphärischen Wechselwirkungen in multizonalen
Brennöfen kommt, die Einfluss auf das zu verarbeitende
Material haben können.
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Bei
der Herstellung von Metalldrähten, so wie sie beispielsweise
durch die internationale Patentanmeldung
WO 03/104501 bekannt ist, finden neben
den einzelnen Drahtziehphasen häufig auch Wärmebehandlungsphasen
statt. Zur Sicherung einer geeigneten Struktur der lamellaren Perlitschicht, die
entweder eine später erfolgende Drahtziehphase oder die
Bestimmung der am Prozessende auftretenden Bruchlast ermöglicht,
erfolgt eine auch als ”Patentierung” bezeichnete
Wärmebehandlung in zwei Etappen.
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In
einem ersten Schritt wird der Draht bis zu einer Temperatur von
950 bis 1000°C erhitzt, um so die Karbideinschlüsse
auf homogene Weise zu lösen und eine austenitische Struktur
zu erhalten. Diese Phase wird als Austenitisierung bezeichnet.
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In
einem zweiten Schritt wird der Draht rasch auf eine Temperatur von
530 bis 600°C heruntergekühlt. Danach verbleibt
der Draht 6 bis 12 Sekunden in diesem Zustand, was zum Ausfällen
der Karbideinschlüsse in lamellarer Form führt.
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Im
Verlauf dieses Zwei-Phasenprozesses werden die Drahtfäden
zunächst durch einen Hochtemperaturofen geführt.
Letzterer wird als Austenitisierungsofen bezeichnet. Danach werden
die Drahtfäden in eine Wirbelschicht oder ein Blei-Schmelzbad getaucht.
Alternativ kann der Draht auch mittels Luft oder in einem wasserhaltigen
Medium abgekühlt werden.
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Während
der Austenitisierungsphase wird der Draht so stark erhitzt, dass
dadurch ein signifikantes Risiko des Entkohlens, also eines Oxidierens an
der Drahtoberfläche, gegeben ist. Dies umso mehr, da ein
vollständiges Ablösen des Karbids eine Drahttemperatur
von 850 bis 950°C bedingt.
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Die
relativ starke Drahtoxidation führt in der Tat zur Bildung
eines feinen Films, der nach dem Entzundern an der Drahtoberfläche
anstelle der gewünschten Perlitstruktur eine kohlenstoffarme
Stahlschicht hinterlässt.
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Um
eine solches Oxidieren zu vermeiden, wird jeder einzelne Draht entweder
in ein von außen erhitztes Rohr eingeführt, in
das ein Schutzgas eingeleitet wird, oder er wird direkt mit einer
Atmosphäre definierter Zusammensetzung in Berührung
gebracht, wodurch ein Oxidieren an der Oberfläche vermieden
wird.
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Letzteres
kommt in Brennöfen zur Anwendung, deren Verbrennungsprodukte
unmittelbar mit den Drähten in Berührung kommen.
Diese Brennöfen tragen die Bezeichnung ”Öfen
mit offenem Feuer”. Auch wenn dabei aufgrund der Tatsache,
dass der Draht mit dem Restwasser des Verbrennungsvorgangs in Kontakt
kommt, die Ausbildung eines sehr feinen Oxidfilms an der Oberfläche
nicht zu vermeiden ist, hat dies normalerweise keine negativen Folgen.
Im Gegenteil: Ein Oxidfilm von nur wenigen Mikrometern Stärke
ist für eine angemessene Beschaffenheit der Drahtoberfläche
sogar von Vorteil. Grundsätzlich ist ein tiefgreifendes
Entkohlen dennoch zu verhindern, zumal dieses im Normalfall die
Qualität des zu verarbeitenden Produktes nachhaltig beeinträchtigen
kann.
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Derartige
Brennöfen beinhalten üblicherweise 3 bis 5 nebeneinander
liegende Zonen, in denen die Atmosphäre nach und nach reduziert
wird, und zwar in dem Maße, wie sich die Drahttemperatur
erhöht. Da die Atmosphäre in den Brennzonen durch die
Zusammensetzung der von den Brennern kommenden Abgase bestimmt wird,
schwankt diese je nach Lage des Brenners im Ofeninnern und ist zudem
vom Luft/Brennstoff-Verhältnis des dem Brenner zugeführten
Gemischs abhängig.
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Bei
der Fertigung von Hohlglas, zum Beispiel von Flaschen oder Gläsern,
kommen neben dem Hauptschmelzofen auch kanalförmig ausgebildete Brennöfen
zum Einsatz, in denen das Glas langsam abgekühlt wird.
Ziel dabei ist, eine Viskosität zu erhalten, die mit der
Form, in die das Glas dann gegossen wird, kompatibel ist. Diese Öfen
sind unter der Bezeichnung ”feeder” oder ”forehearth” bekannt.
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Allen
diesen Brennöfen ist gemeinsam, dass darin die Zusammensetzung
des Glases in relativ engen Grenzen gehalten werden muss. Gegebenenfalls
spielt darüber hinaus auch der Oxidierungsgrad der Ionen
für die Zusammensetzung des Glases eine bestimmte Rolle,
zumal dieser nach dem Abkühlen des gegossenen Teils entscheidenden
Einfluss auf die Farbe des Glases haben kann.
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Außerdem
sind diese Öfen relativ lang bemessen. Auch sind darin
mehrere Regelbereiche vorgesehen, innerhalb derer die Atmosphäre
gleichfalls konstant gehalten werden muss und zwar unabhängig
vom jeweiligen Produktionsniveau.
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Bei
der Patentierung von Metalldrähten ist am Auswurf der verarbeiteten
Drähte eine hermetische Dichtung von Vorteil, um die der
letzten Brennzone zugeordnete, reduzierte Atmosphäre zurückzuhalten.
Tatsächlich würde bei hohen Temperaturen jeglicher
Kontakt von Sauerstoff mit reduziertem Kohlenmonoxid zur Bildung
einer Flamme und folglich zu der Gefahr führen, dass freie
Sauerstoffradikale das Entzundern der Drahtoberfläche behindern.
Daher erfolgt der Abzug der im Ofen entstehenden Rauchgase entgegengesetzt
zur Laufrichtung der Drähte.
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Da
die Regelung der Brenner jedoch in Abhängigkeit von der
erforderlichen Heizleistung erfolgt, und jede Brennzone ihrerseits
Rauchgase aus der angrenzenden Zone abbekommt, besteht normalerweise
die Notwendigkeit, mit einer stabilen Charge zu arbeiten, um so
mögliche Störungen bei der Regelung der in den
einzelnen Brennzonen vorhandenen Atmosphäre zu vermeiden.
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Derartige
Störungen können in der Tat erhebliche Probleme
hervorrufen, zumal die Schwankungen bezüglich des in einer
Brennzone produzierten Kohlenmonoxids ein verändertes Volumen
jenes Kohlenmonoxids zur Folge haben, das in der vorhergehenden
Brennzone ankommt. Dies wiederum kann zu Temperaturschwankungen
innerhalb einer Brennzone und zu einer unregelmäßigen
Oberflächenbeschaffenheit des Drahtes führen.
Die unmittelbare Folge waren Probleme beim Entzundern sowie eine mögliche
Verunreinigung der Drahtoberfläche, beispielsweise nach
dem Eintauchen des Drahtes in das Bleibad.
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Aus
den gleichen Gründen kann es bei der Herstellung von Hohlglas
zu Veränderungen der Leistungsparameter an einer Brennzone
kommen, die ihrerseits Störungen im Interferenzverhalten
zwischen den Atmosphären der einzelnen Brennzonen hervorrufen
können.
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Sowohl
im Fall der Austenitisierungsöfen für die Fertigung
von Metalldrähten als auch für die so genannten ”feeders”,
die bei der Herstellung von Hohlglas Verwendung finden, gilt von
der Technik her als allgemein bekannt, dass dort eine Regelung des Luft-/Sauerstoffträgergas-Mischungsverhältnisses erfolgt,
mit deren Hilfe jeder einzelne Brenner bzw. jede einzelne Brennergruppe
manuell mit einer mittels Proportionaltrichter dosierten Mischung
versorgt wird, so wie es zuvor an Hand des französischen
Patents
FR 1.180.156 veranschaulicht
wurde. Dabei können sämtliche Brenner, die einer
Brennzone zugeordnet sind, durch einen einzigen oder durch mehrere
Mischvorrichtungen mit stets konstantem Luft-/Sauerstoffträgergas-Mischungsverhältnis
versorgt werden.
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Zur
manuellen Regelung des Luft-/Sauerstoffträgergas-Mischungsverhältnisses
bei Verwendung einer solchen Mischvorrichtung muss der Bediener
mit Hilfe eines Analysegerätes regelmäßige Messungen
der Atmosphäre in jeder einzelnen Brennzone des Ofens vornehmen,
die erhaltenen Messwerte auswerten und überdies auch noch
ein Stellglied zur Regelung des Gemischs in der besagten Mischvorrichtung
bewegen. Es sind also mehrere Bedienvorgänge erforderlich,
die nur schwer kontrollierbar sind, wie die Arbeitstaktung und regelmäßige Messung
der Atmosphäre innerhalb des Ofens, die Reihenfolge der
Analysen in den einzelnen Brennzonen, der Einsatz und die Handhabung
des Analysegeräts (Kalibrierung, Ablesen), die Bewertung
der erzielten Messergebnisse und die Bestimmung der jeweiligen Verbrennungsart,
die beispielsweise an einem Brenner mit Schauglas abgelesen werden
kann, sowie die subjektive Handlungsweise des Bedieners, mit der
dieser die Regelung am Stellglied der Mischvorrichtung vornimmt.
Demnach kann der menschliche Faktor die Qualität der Produktion
weitestgehend beeinflussen. Das gleiche Problem eskaliert immer dann,
wenn es sich um Öfen handelt, bei denen die Atmosphäre
einer oder mehrerer Brennzonen eine unterschiedliche Zusammensetzung
aufweist, und wenn in jeder einzelnen Brennzone für den
gesamten Produktionszyklus ein variabler Sollwert einzuhalten ist.
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Um
dieses Problem zu lösen, scheint es dringend geboten, die
Regelung des Gemischs in den dafür vorgesehenen Mischvorrichtungen
nicht manuell, sondern durch einen Motor ausführen zu lassen, und
zwar in Abhängigkeit vom Grad der Abweichung zwischen der
vorgegebenen und der tatsächlich in jeder einzelnen Brennzone
des Ofens vorhandenen Atmosphäre. Dazu ist eine Steuerung
der eingesetzten Mischvorrichtungen erforderlich, die wiederum den Einsatz
von Motoren bedingt.
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Eine
mit einem Motor versehene Mischvorrichtung ist auch im belgischen
Patent
BE 764.407 vorgesehen,
das unserer Meinung nach dem neuesten Stand der Technik entspricht.
Dieses Patent betrifft eine Vorrichtung zum Dosieren eines Gemischs aus
mindestens zwei gasförmigen Medien, zum Beispiel von Luft
und Sauerstoffträgergas, bestehend aus:
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- – einer ersten Düse mit einem
zur Austrittsöffnung konvergent zulaufenden Teilstück,
wobei diese Düse oberhalb des konvergent zulaufenden Teilstücks
mit einer ersten Zuleitung für die genannten Gase verbunden
ist;
- – einer zweiten, unterhalb der ersten befindlichen Düse,
die in deutlich koaxialer Richtung zur ersten Düse angeordnet
ist und jeweils mindestens ein konvergent und ein divergent zulaufendes
Teilstück zum Eingang und zur Austrittsöffnung
aufweist, wobei eine dieser ersten oder zweiten Düse zur
jeweils anderen gleitend angeordnet ist, so dass die Austrittsöffnung
der ersten Düse in den Eingang der zweiten Düse
eingeschoben werden kann;
- – einer Kammer, in die eine zweite Zuleitung für ein
weiteres der eingesetzten Gase mündet, wobei die Zuleitung
mit dem Austritt der ersten Düse und dem Eingang der zweiten
Düse verbunden ist; sowie
- – einem Stellantrieb, bestehend aus:
• einem
Motor mit einer Ausgangswelle,
• einem zwischen der
Ausgangswelle und der Gleitdüse angeordneten Antrieb, der
die Drehbewegung der Welle in eine Axialbewegung der Gleitdüse
umwandelt.
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Bei
dieser von früherer Technik her bekannten Mischvorrichtung
besteht der Antriebsmechanismus aus einem Stirnrad-Reduktionsgetriebe
mit einem die Mischvorrichtung umschließenden Spannring
sowie einem Innengewinde, das mit einem axial gelagerten und mit
der Gleitdüse verbundenen Außengewinde verzahnt
ist.
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Trotzdem
fand diese mit einem Motor ausgestattete Dosierungsvorrichtung früherer
Technik in der praktischen Umsetzung, zum Beispiel bei der Patentierung
von Metalldrähten und der Herstellung von Hohlglas, wo
bezüglich des Gemischs eine hohe Präzision erforderlich
ist, wider Erwarten keine Resonanz. Als wesentliche Nachteile wurden
dabei folgende Kriterien festgestellt:
Zunächst verfügte
das Stirnrad-Reduktionsgetriebe über ein für die
Feinregelung und besonders für die kontinuierliche Regelung
des Gemischs zu großes Zahnspiel. Überdies war
das Übersetzungsverhältnis dieses Getriebes begrenzt.
Vor allem aber konnte es nicht verhindern, dass eine externe Kraft
auf die Düse oder den Spannring wirkt bzw. dass Erschütterungen
auftreten, die eine axiale Bewegung der Düse ohne Zutun
des Motors auslösen können. Da eine exakte Regelung
des Gemischs stets auch eine präzise Kontrolle der Düsenposition
voraussetzt, könnte diese Forderung nur durch den zusätzlichen
Einbau von Lagesensoren an den Düsen erfüllt werden,
was ziemlich teuer und aufwendig wäre.
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Darüber
hinaus erfordert die Bearbeitung der Innen- und Außengewinde
aufgrund des großen Durchmessers und des geringen Gewindewinkels ebenfalls
eine hohe Präzision, was wiederum zu erhöhten
Fertigungskosten führt.
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Daher
erweist sich eine Vorrichtung zum Dosieren eines Gasgemischs als
vorteilhaft, die eine exakte automatische Regelung ohne nennenswerte Hysterese
ermöglicht. Dabei kommt ein selbstsichernder Achsantrieb
zum Einsatz.
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Dieser
Achsantrieb besteht vorzugsweise aus einem Schneckengetriebe, das
mit der genannten Welle verbunden ist, und einem Konversionsmechanismus,
der an das genannte Reduktionsgetriebe gekoppelt und für
die Umwandlung der untersetzten Drehbewegungen in axiale Vorschubbewegungen zuständig
ist. Die Verwendung eines Schneckentriebs als Reduziergetriebe ermöglicht
eine deutlich größere Untersetzung bei einem signifikant
geringeren Zahnspiel. Folglich kann die Umwandlung der Abwärtsbewegung
auch mit Hilfe eines Schrauben-Mutter-Antriebs erfolgen, ohne dass
man dafür auf Gewinde mit kleinem Gewindewinkel zurückgreifen
muss. Dadurch wird das Gesamtspiel des Stellantriebs stark begrenzt,
was wiederum eine Durchmischungsregelung ohne nennenswerte Hysterese
gestattet.
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Vorzugsweise
kann der Konversionsmechanismus ein Schrauben-Mutter-Antrieb sein.
Ein weiterer Vorteil wird dann erzielt, wenn dieser neben den vorgenannten
Düsen mit einer nicht koaxial angeordneten und im äußeren
Bereich der Vorrichtung montierten Schraube versehen ist. Dadurch
erweist sich der Antrieb nicht nur als reparatur- und wartungsfreundlich,
sondern auch als äußerst platzsparend. Der Schrauben-Mutter-Antrieb
kann auch mit einer Mutter versehen werden, die zumindest teilweise
aus Kunststoff besteht. Diese kann vorzugsweise eine vorgegebene
maximale Bruchlast aufweisen, so dass sie sowohl im Fall einer Blockierung
der Mischmechanik als auch im Fall des Nichtansprechens der elektrischen
Motorsicherung oder auch bei Ausfall der Grenzschalter-Sensoren
bricht und damit die betroffenen Mischvorrichtung absichert, wobei
das Zahnspiel des Getriebes und folglich auch die Hysterese bei
der Regelung des Gemischs entsprechend begrenzt bleibt. Insbesondere
kann die maximale Bruchlast der Mutter unter der des Motors liegen,
wodurch dieser gegen Überlastung geschützt ist.
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Alternativ
dazu besteht in jedem Fall die Möglichkeit, für
den genannten Antrieb ein Kugelumlaufspindel-Getriebe einzusetzen.
Ein solcher Antrieb sorgt ebenfalls für eine präzise
Axialregelung, ohne nennenswertes Spiel und mit Selbstsicherung.
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Vorzugsweise
kann die Dosiervorrichtung in einer Wand mindestens einen Axialschlitz
aufweisen, durch den ein mit der Gleitdüse verbundener
Kontaktstift führt. Dabei erfolgt die Bewegung der Gleitdüse
axial und kann zudem von außen betätigt und/oder
gemessen werden. Hierfür kann der genannte Kontaktstift
mindestens an diesen Antrieb gekoppelt werden, um so die axiale
Bewegung der gleitend angeordneten Düse und/oder der Lagesensoren zum
Erfassen der Position des besagten Kontaktstifts auszulösen,
zum Beispiel an Grenzschalter-Sensoren.
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Ein
weiteres Ziel dieser Erfindung besteht darin, einen Brennofen zu
liefern, der über mindestens eine Wärmebehandlungszone
mit automatisch geregelter Atmosphäre verfügt.
Deshalb betrifft die vorliegende Erfindung auch einen Brennofen,
der über mindestens eine Wärmebehandlungszone,
ein Analysegerät zum Erfassen der Zusammensetzung der Atmosphäre
in dieser mindestens einen Zone, mindestens einen Brenner für
jede Zone, mindestens eine erfindungsgemäße Dosiervorrichtung
zur Versorgung mit Brenngas und Sauerstoffträgergas von mindestens
einem Brenner in jeder Brennzone, sowie über einen elektronischen
Regler verfügt, der mit dem genannten Analysegerät
und den Stellantrieben der genannten Dosiervorrichtungen gekoppelt
ist, um in jeder einzelnen Zone die Zusammensetzung der Atmosphäre
so zu steuern, dass diese weitestgehend den vorgegebenen Werten
entspricht. Dadurch lässt sich eine vorgegebene Zusammensetzung
der Atmosphäre je nach Arbeitstakt möglichst konstant oder
auch variabel halten und in jeder einzelnen Zone unabhängig
von der im Ofen präsenten Charge steuern.
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Der
hier genannte elektronische Regler kann vorzugsweise ein PID-Regler
sein, der bei Abweichungen von den Vorgabewerten ein rasches Ansprechen
sichert und zugleich positive Rückkopplungseffekte weitestgehend
ausschließt. Der einzusetzende Brennofen kann vorzugsweise
mehrere der hier genannten und miteinander verbundenen Zonen beinhalten.
Dadurch kann die vorliegende Erfindung verhindern, dass die Atmosphäre
einer Brennzone, in der ein eher geringerer Druck herrscht, durch
die Zusammensetzung der Atmosphäre einer Brennzone mit Überdruck
beeinträchtigt wird.
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Das
hier genannte Analysegerät kann zur Bestimmung des Reduktions-
oder Oxidationsverhaltens der atmosphärischen Zusammensetzung
vorzugsweise mit Sauerstoff- und Kohlenmonoxidsensoren ausgerüstet
werden.
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Des
Weiteren kann dieses Analysegerät vorzugsweise mit je einer
Entnahmevorrichtung in jeder Brennzone gekoppelt werden. Damit wird
gewährleistet, dass die Zusammensetzung der Atmosphäre in
sämtlichen Brennzonen des Ofens mit einem einzigen Analysegerät
geregelt werden kann. Dabei ist es ebenfalls von Vorteil, für
den Brennofen eine Kondensatpumpe sowie für jede Entnahmevorrichtung ein
Drei-Wege-Ventil vorzusehen, von denen das jeweils erste mit der
dazugehörigen Brennzone, das jeweils zweite mit der Kondensatpumpe
und das jeweils dritte mit dem Analysegerät verbunden wird. Dies
ermöglicht die Entnahme von Atmosphäreproben jeder
einzelnen Brennzone zur Auswertung mit Hilfe des Analysegeräts.
Darüber hinaus kann ein solcher Brennofen neben den hier
genannten Entnahmevorrichtungen und dem Analysegerät auch
mit einem Kühler ausgestattet werden, der mit einer Automatikpumpe
zum Absaugen von Kondensat ausgerüstet ist, wodurch die
Entnahme von Probestücken aus der Atmosphäre der
einzelnen Brennzonen in trockenem Zustand und mit einer für
das Analysegerät wesentlich besser geeigneten Temperatur
möglich wird. Ein weiterer Vorteil wird dadurch erzielt, dass
unterhalb des genannten Kühlers ein Feuchtigkeitsfühler
angeordnet wird, der den einwandfreien Betrieb des Kühlers
sichert. Um den reibungslosen Durchfluss der gasförmigen
Proben zum Analysegerät zu gewährleisten, kann
der Brennofen außer mit den genannten Entnahmevorrichtungen
und dem Analysegerät auch mit einem Durchflussmesser ausgestattet
werden, der für einen konstant bleibenden Durchfluss sorgt
und/oder mit einem Sicherheitsventil versehen ist.
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Zudem
kann für den Brennofen vorzugsweise auch eine Kalibriergas-Zuführvorrichtung
am Analysegerät vorgesehen werden, die die Kalibrierung
sichert.
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Nachstehend
erfolgt eine Erläuterung weiterer Einzelheiten, die dieser
Erfindung zugrunde liegen, einschließlich des Verweises
auf die dazugehörigen Zeichnungen.
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1 zeigt
die Ansicht einer Dosiervorrichtung in einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt
die gleiche Dosiervorrichtung, bei auf eine Motorabdeckung verzichtet
wurde, um den Stellantrieb sichtbar zu machen;
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3 ist
eine Detailansicht des dargestellten Stellantriebs;
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4 ist
eine schematische Darstellung des Reduktionsgetriebes am Stellantrieb
von 3;
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5 zeigt
eine weitere Ansicht der Vorrichtung von 1, auf der
die Grenzschalter-Sensoren der Gleitdüse abgebildet sind;
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6 stellt
einen Längsschnitt der Vorrichtung von 1 dar,
wobei die Gleitdüse in einer ersten Position abgebildet
ist;
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7 stellt
einen weiteren Längsschnitt der Vorrichtung von 1 dar,
wobei die Gleitdüse in einer zweiten Position abgebildet
ist;
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8a und 8b zeigen
jeweils die Ansicht eines ersten Segments der Vorrichtung von 1,
einschließlich der Gleitdüse, jedoch ohne den
Stellantrieb und die Grenzschalter-Sensoren;
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9 zeigt
die Ansicht einer Dosiervorrichtung in einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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10 ist
eine Abbildung der Dosiervorrichtung von 9 im Längsschnitt;
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11 ist
eine schematische Darstellung eines Brennofens gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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12 ist
eine schematische Darstellung eines Regelvorgangs des Brennofens
von 11 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Eine
gemäß einer der Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung entsprechende Vorrichtung zum Dosieren eines
Gemischs aus einem ersten und einem zweiten Gas ist in Bild 1 abgebildet.
Diese Dosiervorrichtung 1 besteht aus einer Zuleitung 2 für das
erste Gas, einer Zuleitung 3 für das zweite Gas, einer
Austrittsleitung 4 für das Gemisch, einem Stellantrieb 5 zum
Dosieren der Gase innerhalb des Gemisches, der mit einer Motorabdeckung 6 versehen ist,
sowie den Grenzschalter-Sensoren 7, die ihrerseits an einer
Seite der Dosiervorrichtung 1 und in entgegen gesetzter
Richtung zum Stellantrieb 5 angeordnet sind.
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Auf
den Bildern 2 und 3 ist die Dosiervorrichtung 1 ohne die
Motorabdeckung 6 abgebildet. Dadurch wird der Stellantrieb 5 sichtbar,
der seinerseits mit einem Elektromotor 8 und einer Ausgangswelle 9, einem
mit der genannten Ausgangswelle 9 gekoppelten Reduktionsgetriebe 10,
einem Konversionsmechanismus 11 mit einem aus einer Schraube 12 bestehenden Dreheingang,
der mit dem Reduktionsgetriebe 10 verbunden ist, und einen
aus einer Mutter 13, die auf die genannte Schraube 12 gedreht
ist, bestehenden axialen Ausgang besitzt. Die vorzugsweise aus hitzebeständigem
Kunststoff gefertigte Mutter 13 ist in einem Metallgehäuse 14 angeordnet,
an dem eine vorzugsweise aus hitzebeständigem Kunststoff
gefertigte Gleitschiene 15 befestigt ist, die einen geringen
Reibungskoeffizienten im Kontakt mit Metall aufweist. Die Gleitschiene 15 wird
in einer Nut 16, die an der äußeren Oberfläche
der Vorrichtung 1 eingebracht ist, axial und strikt parallel
zur Schraube 12 geführt.
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Eine
schematische Ansicht des Reduktionsgetriebes 10 ist in
Bild 4 dargestellt. Dabei handelt es sich um ein selbstsicherndes
Getriebe mit Stirnrad 17 und Schnecke 18, bei
dem die Schnecke 18 mit der Ausgangswelle 9 des
Motors 8 und das Stirnrad 17 mit dem Dreheingang
des Konversionsmechanismus 11 gekoppelt ist. Ein solches
Stirnrad-Schneckengetriebe bietet den Vorteil eines höheren
Untersetzungsverhältnisses bei geringem Platzbedarf. Vor
allem aber garantiert es ein stark limitiertes Zahnspiel.
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In
einer vorteilhaften und bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung kann das Untersetzungsverhältnis
des Reduktionsgetriebes 10 bei 31:1 liegen. Bei einer Teilung
von beispielsweise ca. 2,5 mm an der Schraube 12 bedeutet
das einen Vorschub der Mutter 13 von ca. 8 mm pro 100 Motorumdrehungen,
was wiederum eine präzisere Regelung der Position der Mutter 13 erleichtert.
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Wird
für diese vorteilhafte Ausführungsform eine Mutter 13 mit
einer maximalen Bruchlast von 2,4 kN und ein Motor 8 mit
einem maximalen Drehmoment von 0,25 Nm verwendet, wodurch über
das Reduktionsgetriebe 10 und die Schraube 12 praktisch eine
maximale Belastung von rund 3 kN möglich ist, sichert der
kontrollierte Bruch der genannten Mutter 13 den Motor 8 gegen Überlastung.
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Auf
Bild 5 sind zwei Grenzschalter-Sensoren 7 abgebildet, die
auf einer Seite der Vorrichtung 1 und gegenüber
dem Stellantrieb 5 angeordnet sind.
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Die
Bildern 6 und 7 zeigen die Dosierungsvorrichtung 1 im Längsschnitt.
Dabei wird ersichtlich, dass sich die Dosierungsvorrichtung 1 aus
drei Segmenten 19, 20 und 21 zusammensetzt.
Das erste Segment 19 beinhaltet eine Verbindungsmuffe 22 für die
Verbindung zur Zuleitung 2 des ersten Gases. Diese Zuleitung
mündet in eine erste, in der Verbindungsmuffe 22 gleitend
angeordnete Düse 23. Die erste Düse 23 besteht
aus einem ersten, konvergent zulaufenden Teilstück 24 und
einem zweiten, zylindrisch zulaufenden Teilstück 25.
Im Endbereich ihrer Austrittsöffnung 26 ist die
erste Düse 23 mit einer kreisförmigen
Außenkrempe 27 versehen. Des Weiteren ist die
erste Düse 23 mittels eines Kontaktstifts 28,
der durch einen Schlitz 29 in die Verbindungsmuffe 22 greift,
mit dem Metallgehäuse 14 der Mutter 13 am
Stellantrieb 5 verbunden. Dadurch wird die Axialbewegung
der Mutter 13 an die erste Düse 23 übertragen.
Die Gleitschiene 15 schließt den Schlitz 29 und
verhindert so das Ausströmen des ersten Gases durch den
Schlitz 29. Das erste Segment 19 beinhaltet zudem
einen weiteren Kontaktstift 30 und einen weiteren Schlitz 31,
deren Ausbildung mit den beiden anderen zwar identisch ist, deren
Anordnung jedoch diametral zum Kontaktstift 28 und zum
Schlitz 29 verläuft. Beide dienen der Übermittlung
der Positionsanzeige der ersten Düse 23 an die
Grenzschalter-Sensoren 7. Wie die Bilder 8a und 8b zeigen,
ist das erste Segment 19 ausgeprägt symmetrisch
geformt, so dass – in Abhängigkeit von dem die
Vorrichtung 1 umgebendem Raum – die Positionen
des Stellantriebs 5 und der Grenzschalter-Sensoren 7 untereinander
austauschbar sind.
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Beidseitig
der Schlitze 29 und 31 sowie zwischen der ersten
Düse 23 und der Verbindungsmuffe 22 ist
ein Dichtungsring 32 vorgesehen. Diese Dichtung 32 ist
feststehend in Ringlagern 33 angeordnet, die ihrerseits
in der Außenwand der ersten Düse 23 montiert
sind.
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Das
zweite Segment 20 sichert die Verbindung zwischen dem ersten
und dem dritten Segment 19 bzw. 21 und beinhaltet
die Zuleitung 3 für das zweite Gas sowie eine
Kammer 34, die am Ende der Ausrittsöffnung 26 der
ersten Düse 23 angeordnet ist.
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Das
dritte Segment 21 schließlich beinhaltet eine
zweite, fest montierte Düse 35 mit einem konvergent
zulaufenden Eingangsstück 36, einem zweiten, zylindrisch
zulaufenden Teilstück 37, sowie einem dritten,
konvergent zulaufenden Ausgangsstück 38. Die zweite
Düse 35 weist die Form eines Venturirohrs auf.
Das konvergent zulaufende Teilstück 36 besteht
aus zwei nebeneinander angeordneten Kegelstümpfen 39 und 40.
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Der
Kegel des ersten Stumpfes 39 ist deutlich größer
bemessen als der des Stumpfes 40, der einen eher gering
ausgebildete Kegel aufweist.
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Sobald
der Durchfluss des ersten Gases einsetzt, funktioniert die Dosiervorrichtung 1 wie
eine Strahldüse, wobei der Strahl des ersten Austrittsgases
an der ersten Düse einen Durchfluss bewirkt, der im proportionalen
Verhältnis zu dem des zweiten Gases steht. Die Dosiervorrichtung 1 sorgt
ihrerseits für ein konstantes Verhältnis im Gemisch
der beiden Gase, indem in der Vorrichtung die laminare Strömung der
koaxial übereinander angeordneten beiden Gasschichten beibehalten
wird, insbesondere in dem Moment, da beide Gase miteinander in Kontakt
kommen. Die kreisförmige Krempe 27 ermöglicht
die Bildung eines feststehenden Gasfilms an der Außenwand
der ersten Düse 23, da das Gas um diese herumströmt.
Der eigentliche Mischvorgang der beiden Gase findet indes nur im
unteren Teil der Dosiervorrichtung 1 statt.
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Dies
bedeutet, dass das Verhältnis zwischen den beiden Gasen
bei einem Gemisch aus Brenngas und Sauerstoffträgergas
und bei Einsatz einer Dosiervorrichtung 1, die so montiert
ist, dass sie einen Brenner oder eine Brennergruppe versorgt, nicht durch
den am Ausgang des oder der Brenner herrschenden Gegendruck beeinflusst
wird.
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Das
Mischungsverhältnis zwischen beiden Gasen lässt
sich durch eine Axialbewegung der ersten Düse 23 in
Bezug auf die zweite Düse 35 regeln. Aufgrund
der konvergent zulaufenden Form der Austrittsöffnung 36 verengt
sich der ringförmige Zwischenraum 41 zwischen
den beiden Düsen, so dass die Düsen 23 und 35 immer
enger zusammenrücken, wodurch der Durchfluss des zweiten
Gases begrenzt wird. Bild 6 zeigt die Dosiervorrichtung 1 mit
der ersten Düse 23 in einer Position, in der Letztere
den größten Abstand zur zweiten Düse
aufweist und damit das maximal mögliche Mischungsverhältnis
im Gemisch zwischen zweitem und erstem Gas widerspiegelt. Bild 7
hingegen verdeutlicht, wie die erste Düse 23 so
lange bewegt wird, bis sie mit der Wand der Austrittsöffnung 36 der
zweiten Düse 35 in Berührung kommt und
den ringförmigen Zwischenraum 41 schließt,
wodurch der Durchfluss des zweiten Gases verhindert wird.
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Die
Bewegung der ersten Düse 23 wird durch den Stellantrieb 5 ausgelöst.
Während der Elektromotor 8 die Drehbewegung der
Ausgangswelle 9 bewirkt, wird deren Drehbewegung zunächst
im Reduktionsgetriebe 10 untersetzt und danach durch den
Konversionsmechanismus 11 in eine Axialbewegung der Mutter 13 umgewandelt.
Die Mutter 13 und der Kontaktstift 28 bewirken
die Axialbewegung der ersten Düse 23 in der Verbindungsmuffe 22,
wobei die erste Düse 23 der zweiten Düse 35 entweder
genähert oder von ihr entfernt wird. Das Verhältnis
zwischen den beiden Gasen kann dabei über den Motor 8 geregelt
werden.
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Die
Bilder 9 und 10 zeigen eine alternative Ausführungsform
einer dieser Erfindung zugrundeliegenden Dosiervorrichtung. Mit
Ausnahme des Stellantriebs ist diese Dosiervorrichtung 1' mit
der von der ersten Ausführungsform identisch. Bei dieser
weiteren Dosiervorrichtung 1' beinhaltet der Stellantrieb 5' indes
einen elektrischen Schrittmotor 8' mit einer Ausgangswelle
(nicht abgebildet), die parallel zur Achse der Dosiervorrichtung 1' angeordnet
ist, ein Kugelumlaufspindel-Getriebe mit Dreheingang, das mit der
genannten Ausgangswelle am Motor 8' gekoppelt ist, sowie
einen Axialausgang 13'. Der Axialausgang 13' am
Stellantrieb 5' ist über einen Kontaktstift 28,
der durch einen Schlitz 29 in die Verbindungsmuffe 22 greift,
mit der Düse 23 verbunden. Dadurch wird die Axialbewegung
vom Axialausgang 13' an die erste Düse 23 übertragen.
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Mit
einer Gewindeteilung von 4 mm pro Drehung im Kugelumlaufspindel-Getriebe
sowie bei gleichzeitiger Verwendung eines Präzisions-Schrittmotors 5' lässt
sich eine axiale Präzision in der Größenordnung
von 10/1000 Millimetern erzielen. Der maximale Axialdruck des abgebildeten
Stellantriebs 1' beträgt 800 N, während
die maximale Axialgeschwindigkeit bei 130 mm/s liegt.
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Bild
11 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennofens 42 mit
mehreren, miteinander verbundenen Brennzonen 43 und geregelter
Atmosphäre. Dieser Brennofen 42 könnte
beispielsweise ein Austenitisierungsofen für Metalldrähte
sein, die durch die Brennzonen 43 geführt werden,
oder auch ein Brennofen des Typs ”feeder”, der
sich zwischen einem Hauptschmelzofen für Glas und einer
Form befindet und zur Fertigung von Hohlglas eingesetzt wird. In
dem abgebildeten Brennofen 42 sind jeder Brennzone 43 mehrere
Brenner 44 zugeordnet, die über eine wie weiter
oben ausgeführte Dosiervorrichtung 1 mit einem
Brennstoff-/Luft-Gemisch versorgt wird. Zur schematischen Vereinfachung
ist dabei lediglich ein Brenner 44 für jede Zone 43 abgebildet. Überdies
ist jeder einzelnen Brennzone 43 eine Entnahmevorrichtung 45 zugeordnet,
mit deren Hilfe Gasproben aus der Atmosphäre jeder einzelnen Brennzone 43 entnommen
werden können. Außerdem ist jede Brennzone 43 mit
einem Drei-Wege-Ventil 46 versehen, von dem jeweils das
erste mit der dazugehörigen Brennzone 43, das
jeweils zweite mit einer handelsüblichen Kondensatpumpe 47 und das
jeweils dritte mit einer handelsüblichen Zuleitung 48 verbunden
sind. An der Zuleitung 48 sind eine Zuführungsvorrichtung 49 für
ein Kalibriergas, ein mit einer Automatik-Pumpe 51 zum
Absaugen von Kondensat ausgerüsteter Kühler 50,
ein an der Unterseite des Kühlers angebrachter Feuchtigkeitsfühler 52, der
für dessen reibungslosen Betrieb sorgt, sowie eine mit
einem Sicherheitsventil 54 versehene Pumpe 53 zur
Vermeidung von Unterdruck während des Ausströmens
vorgesehen. Darüber hinaus ist die Zuleitung an einen Durchflussmesser 55 angeschlossen,
der über den konstanten Durchfluss in der Zuleitung 48 wacht.
Diese Zuleitung 48 führt außerdem zu einem
Analysegerät 56, das zumindest mit Sensoren zur
Bestimmung des relativen Volumengehalts an Sauerstoff und Kohlenmonoxid
in den atmosphärischen Proben aus den Brennzonen 43 ausgestattet ist.
Das Analysegerät 56 ist an einen elektronischen Regler 57 angeschlossen,
der seinerseits an die Dosiervorrichtungen 1 gekoppelt
ist, um so die Regelung des Luft-/Brennstoff-Gemischs zu gewährleisten,
mit dem jeder einzelne Brenner 44 versorgt wird, sowie
für den Fall, dass die Zusammensetzung der Atmosphäre
in der dazugehörigen Brennzone 43 einen vorgegebenen
Wert unterschreiten sollte, die entsprechende Korrektur vornimmt.
Dieser Vorgabewert könnte durch einen Anwender auch in
Abhängigkeit vom jeweils gewünschten Oxidations-
bzw. Reduktionsverhalten des verwendeten Brenngases (z. B. bei Methan,
Erdgas, Flüssiggas, Propangas, Butangas etc.) sowie von
dessen Mischungsverhältnis zum Sauerstoffträgergas
in der Atmosphäre einer jeden Brennzone 43 korrigiert
werden.
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Der
Regelvorgang bezüglich der Zusammensetzung der Atmosphäre
in jeder Zone 43 des Brennofens 42 ist in Bild 12 dargestellt.
Während die Entnahmevorrichtung 45 die atmosphärische
Probe entnimmt und diese über die mit dem Kühler 50 und der
Pumpe 53 versehene Zuleitung 48 an das Analysegerät 56 weiterleitet, übernimmt
das Analysegerät die Messung des Sauerstoff- und Kohlenmonoxidanteils
und gibt die erhaltenen Messwerte in Form von entsprechenden Signalen 58 und 59 an
den Regler 57 weiter. Im genannten Regler 57 wird
das Signal 58, das den Sauerstoffgehalt meldet, vom Signal 59, das
dem Gehalt an Kohlenmonoxid entspricht, in Abzug gebracht. Danach
wird das so erhaltene Signal 60 mit einem Signal 61,
das dem genannten Vorgabewert entspricht, abgeglichen, um daraus
das Signal 62 zu bilden. Dieses Signal 62 wird
dann aus dem proportionalen Datenblock 63, dem integralen
Datenblock 64 und dem derivativen Datenblock 65 mit
Hilfe eines PID-Regelsatzes (proportional-integralderivativ) definiert,
um am Ende ein Signal 66 für die Regelung des
Motors 8 am Stellantrieb 5 der Dosiervorrichtung 1 zu
erhalten.
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Der
Regler 57 steuert zudem die aufeinander folgenden Öffnungs-
und Schließvorgänge der Ventile 46 an
den Entnahmevorrichtungen 45, wodurch die kontinuierlich
Entnahme der Proben aus jeder einzelnen Brennzone 43 und
folglich auch die konsequente Regelung jeder einzelnen Dosiervorrichtung 1 gewährleistet
werden.
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Auch
wenn die Beschreibung der vorliegenden Erfindung an Hand von spezifischen
Beispielen erfolgte, so wurde dabei dennoch deutlich, dass die eine
oder andere Umrüstung oder Änderung an diesen
Beispielen vorgenommen werden könnte, ohne dabei von den
allgemeinen Grundprinzipien der vorliegenden Erfindung abzurücken,
so wie sie in den Patentansprüchen definiert sind. Beispielsweise könnte
die Dosiervorrichtung auch für gasförmige Gemische
anstelle für ein Gasgemisch aus Brenngas und Sauerstoffträgergas
verwendet werden. Ebenso könnte man die zweite Düse
gleitend und die erste Düse als feststehend anordnen, was
zur Folge hätte, dass dann die zweite Düse durch
den Stellantrieb bewegt werden würde, um die eine der anderen
zu nähern und/oder sie voneinander zu entfernen. Was den
Brennofen anbetrifft, so könnte es sich bei diesem auch
um einen Ofen mit einer einzigen Bearbeitungszone handeln, in der
die Zusammensetzung der Atmosphäre zum Beispiel einem variablen
Vorgabewert folgt. Demnach sind die Beschreibung und die Zeichnungen
generell eher als erläuternd, denn als restriktiv zu betrachten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 03/104501 [0003]
- - FR 1180156 [0019]
- - BE 764407 [0022]