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Verfahren und Vorrichtung zum Dosieren und
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Abfüllen insbesondere hochviskoser Medien Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Dosieren und Abfüllen insbesondere hochviskoser Medien, wie Nahrungsmittel
in Form von Marmelade, Magerquark od. dergl., unter Verwendung eines Dosierraums,
sowie eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.
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Bei bekannten Verfahren dimer Art unter Verwendung der üblichen Dosierpumpen
erfolgt ein kontinuierliches Füllen des Dosierraumes beim Ansaughub des Dosierkolbens,
wobei im Dosierraum keine wesentlichen Druckunterschiede auftreten. Somit folgt
das zu dosierende Medium unmittelbar der Bewegung des Dosierkolbens. In einem hochviskosen
Abfüllmedium etwa vorhandene Gasblasen bleiben im dosierten Medium erhalten und
werden mit abgefüllt, was zu Dosierfehlern führen kann. Ferner wird der Tatsache
nicht Pechnung getragen, daß hochviskose Medien nicht nur eine große Haftreibung
sondern auch eine ebensolche innere Reibung aufweisen, insbesondere im Ruhestand,
so daß eine größere Kraft erforderlich ist, um sie erst einmal zum Fließen zu bringen,
als anschließend, um sie in Fluß zu halten.
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Bei den bekanten Vorrichtungen zur Ausführung des bekannten Verfahrens
öffnet sich zunächKet ein Einlaßventil, anschließend bewegt sich der Dosierkolben
in die Füllstellung und saugt dabei das abzuftillende und zu dosierende Medium durch
tas geöffnete Einlaßventil in den Dosierraum, sodann schließt das Einlaßventil und
öffnet das Auslaßventil, und anschließend bewegt sich der Dosierkolben in seine
andere Endlage und stößt das dosierte und abzufüllende Medium durch das geöffne@e
Auslaßventil aus.
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Die der Erfindung zugrllndeliegende Aufgabe wird darin gesehen, ein
Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches ein genaue reis Abfüllen
insbesondere hochviskosel Medien erlaubt, sowie ferner Zinke Vorrichtung zur Ausfüiirung
dieses Verfahrens, die einen besonders einfachen Aufbau zeigt und besonders leicht
steuerbar ist.
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Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß in dein Dosierraun zunächst ein Vakuum erzeugt, dann das Medium mit
Hilfe des Vakuums schlagartig in den Dosierraus gesaugt und dabei verdichtet, und
anschließend das den Dosierraum füllende Medium zumindest teilweise aus dein Dosierraui
hinausgedrückt wird. Bezüglich der Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens mit
eine den Dosierraum aufweisenden Zylinder, einen in den im wesentlichen zylindrischen
Dosierraum hin und her verschiebbaren Dosierkolben und einen mit den Dosierraum
in Verbindung stehenden Ventil wird die erfingungsgemäße Ausgestaltung darin gesehen,
daß dieses Ventil als Auslaßventil unmittelbar e Auslaßende des Dosierraums angeordnet
und as den Auslabende abgewandten Einlaßende des Dosierraus ein zweite. Ventil als
linlaaventil vorgesehen ist.
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Das erfindungsgerna Verfahren sorgt dafür, daß beim Füllen des Dosierraums
eine Verdichtung des zu dosierenden Mediums erfolgt, nämlich im Anschluß an das
schlagartige Ansaugen des Mediums durch das erzeugte Vakuum, wobei das Medium derart
bescllleunigt wird, daß d;e plötzliche Beendigung des Füllvorgangs, sobald der Dosierraum
gefüllt ist, eine Art Verdichtungsstoß hervorruft, durch den etwa vorhandene Gasblasen
im angesaugten Medium aus dem Dosierraum herausgedrückt werden. Im übrigen sorgt
das erzeugte Vakuum für die Uberwindung der bei einer in Ruhe befindlichen, hochviskosen
Flüssigkeit bzw. Paste (z.B. Magerquark) ganz erheblichen Haftreibung. Durch das
Vakuum wird nämlich gerade eine große Anfangssaugkraft hervorgerufen, welche eine
eintsprechend große Anfangsbeschleunigung zur Folge hat.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin
zu sehen, daß sie besonders kompakt ausgebildet ist, nachdem bei den bekannten Vorrichtungen
einerseits das Einlaßventil und andererseits das Auslaßventil einen erheblichen
Abstand vom Dosierraum bzw. der oftmals verwendeten Dosierpumpe aufweisen, was zusätzliche
Leitungen erforderlich macht, die Steuerung kompliziert und die Reinigung zumindest
erschwert.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist das Einlaßventil von mindestens
einer in der Wandung am Einlaßende des Dosierraums angeordneten Durchbrechung und
der Außenfläche des Dosierkolbens gebildet; ferner ist der Zylinder zumindest im
Bereich der Durchbrechung von einem das Medium enthaltenden Vorratsraum umgeben.
Dies erbringt eine weitere Vereinfachung des Aufbaus insofern, als die sonst Ublichen,
zusätzlichen Bauteile für die Bildung des Einlaßventils entfallen. Die Durchbrechung
in der Zylinderwand bildet im Zusamienwirken mit den Dosierkolben das Einlaßventil.
Ferner umspült das zu dosierende und abzuftillende Medium ständig die vorhandene
Durchbrechung, so daß sein unmittelbarer Zutritt zum Dosierraul gewährleistet ist,
sobald der Dosierkolben die Durchbrechung freigegeben hat. Es ist so it ein schnelleres
Dosieren und Abftlllen als bisher möglich.
Zwecks Vergrößerullg
des Durchtrittsquersclinitts und vergleichrnäßigung des Zutritts des Mediums zum
Dosierraum von allen Seiten können drei am 7.ylinderumfang in gleicher Höhe um jeweils
1200 versetzte Durchbrechungen vorgesehen sein, die auBerdem auch noch Rechteckform
aufweisen können, um bei einer Bewegung des Dosierkolbens im öffnungssinne sich
möglichst sclulell vergrößerende Durchlaaquerschnitte zur Verfügung zu stellen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform verbleiben zwischen den Durchbrechungen
lediglich axiale Stege, deren Gesamtbreite kleiner ist als die Gesamtbreite der
Durchbrechungen, jeweils gemessen in Umfangsrichtung des Zylinders. Dies verbringt
ei no Weitere Vergrößerung des schlagartig zur Verfügung qceLLtfii Durchtrittsquerschnittes,
was der schlagartigen Fullung des Dosierraums nebst anschließender Verdichtung z"sätzlich
förderlich ist.
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Vorteilhaft ist das Auslaßventil ein mittels einer koaxial in der
Kolbenstange des Dosierkolbens geführten Ventilstange betätigbares Tellerventil.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den UnteransprUchen näller
gekennzeichnet.
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Als zusätzlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist anzuführen,
daß sie sich besonders gut reinigen und gegebenenfalls sterilisieren läßt, was für
das Dosieren und Abfüllen von Nahrungsmitteln von besonderer Bedeutung ist.
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Dies wird erreicht durch die glatten, leicht zu umspülenden Medienräume.
Infolge der erläuterten Ausbildung des Einlaßventils gibt es keine Toträume, Winkel
od. dergl., in denen sich das Medium stauen könnte bzw. die von einer Reinigungsflüssigkeit
nur schlecht erreicht würden.
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Die Erfindung und ihre vorteilhaften Ausgestaltungen sind im folgenden
anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert.
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Es zeigt: Fig. 1 eine Ausführungsform der Vorrichtung in Ausgangsstellung;
Fig. 2 die Vorrichtung beim Schließen des Einlaßventils und kurz vor dem öffnet
des Auslaßventils; Fig. 3 das Ausschieben des Mediums durch den Dosierkolben bei
geöffnetem Auslaßventil; Fig. 4 den Dosierkolben in maximaler Endstellung bei noch
geöffnetem Auslaßventil; Fig. 5 die Vorrichtung, nachdem sich das Auslaßventil geschlossen
hat; Fig. 6 eine Zwischenstellung des in die Ausgangsstellung zurückfahrenden Dosierkolbens
bei Erzeugung des Vakuums; Fig. 7 die öffnung des Einlaßventils zwecks Zutritts
von neuem Abfüllmedium.
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Die in den Figuren der Zeichnung dargestellte Vorrichtung zur Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt einen den Dosierraum 1 aufweisenden Zylinder
2, einen in dem zylindrischen Dosierraum 1 hin und her verschiebbaren Dosierkolben
3 und ein mit dem Dosierraum 1 in Verbindung stehendes Ventil. Dieses Ventil ist
als Auslaßventil 4 unmittelbar am Auslaßende 5 des Dosierraums 1 angeordnet.
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An dem dem Auslaßende 5 abgewandten Einlaßende 6 des Dosierraums 1
ist ein zweites Ventil als Einlaßventil 7 vorgesehen.
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Das Einlaßventil 7 wird von mindestens einer in der Wandung des Zylinders
2 am Einlaßende 6 des Dosierraums 1 angeordneten Durchbrechung 8 und der radialen
Außenfläche 9 des Dosierkolbens 3 gebildet. Ferner ist der Zylinder 2 zumindest
im Bereich der Durchbrechung 8 von einem das Medium enthaltenden Vorratsraum 10
umgeben.
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Bei der gezeigten, bevorzugten Ausführungsform sind drei am Zylinderumfang
in gleicher Höhe um jeweils 120° versetzte Durchbrechungen 8 vorgesehen. Sie weisen
zweckmäßig Rechteckform auf. Zwischen den Durchbrechungen sind axiale Stege 11 verblieben,
deren Gesamtbreite kleiner ist als die Gesamtbreite der Durchbrechungen 8, jeweils
gemessen in Umfangsrichtung des Zylinders 2.
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Hierdurch ist sichergestellt, daß ein möglichst großer Eintrittsquerschnitt
für das Medium zur Verfügung steht, sobald die Fläche 9 des Dosierkolbens 3 die
Durchbrechungen 8 freigibt.
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Das Auslaßventil 4 ist ein mittels einer koaxial in der Kolbenstange
12 des Dosierkolbens 3 geführten Ventilstange 13 betätigbares Tellerventil.
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Der Dosierraum 1 verengt sich zu seinem Auslaßende 5 hin und der Ventilsitz
14 für das Tellerventil ist außen an der Wandung des Dosierraums 1 angeordnet, derart,
daß das Ventil 4 nach außen öffnet und die dem Dosierraum 1 zugewandte, vorzugsweise
kegelige Fläche 15 des Tellerventils eine radiale Leitfläche für das Medium bildet.
Somit weist die Fläche des Ventilsitzes in der in Fig. 1 gezeigten Verschließstellung
des Auslaßventils 4 im wesentlichen eine Linienberührung mit der kegeligen Fläche
15 bzw. dem Ventilkegel des Tellerventils auf.
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Dem Auslaßventil 4 ist ein Diisenraum 16 mit einer Abgabedeine 17
nachgeordnet. Diese Abg.ìbedüse 17 kann zur Anpassung an unterschiedliche Viskosit£ten
und Konsistenzen der Abfüllmedien auswechselbar sein, bei der gezeigten Ausführungsform
wird die Auswechselbarkeit durch eine Uberwurfmutter 18 gewährleistet, die mit einem
entsprechenden Gewinde 19 am Auslaßstutzen 20 zusammenarbeit.
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Der Auslaßstutzen 20 ist ein Teil eines den Vorratsraum 10 bildenden
BeElälters 21 mit einer Zuführun¢sleitung 22 für das jeweilige Mediwn und einer
Entlüftungsleitung 23, in welchem der Zylinder 2 in dcr gezeigten Weise angeordnet
ist. Dabei ist die Kolbenstange 12 des Dosierkolbens 3 mit der in ihr geführten
Ventilstange 13 durch eine KolbenstangendurchfWurung 24 im Deckel 25 des Vorratsbehälters
hindurchgeführt, während das untere Ende des Zylinders 12 mit einem Bund 26 in einer
entsprechenden Bohrung des Vorratsbehälters 21 festsitzt, welche in den Düsenraum
16 übergeht.
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Wie Fig. 2 zeigt, ist am freien Ende 27 der Ventilstange 13 ein Ventilbetätigungselement
28 für die Betätigung des Auslaßventils 4 angeordnet. Dieses Ventilbetätigungselement
28, das mechanisch, pneumatisch oder anderweitig in Richtung des Doppelpfeils A
bewegbar ist, liegt einerseits an einem festen Anschlag 29 und andererseits an einer
Packung Tellerfedern 30 an, die sich an gekonterten Muttern am äußersten Ende des
Ventilstange 13 abstützen. Somit ist die Ventilstange 13 in Auslaßrichtung gemäß
Pfeil B gegenüber dem Betätigungselement 28 gegen den Druck der Tellerfedern 30
begrenzt verschiebbar.
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Im übrigen kann sowohl die Betätigung des Einlaßventils 7 als auch
diejenige des Auslaßventils 4 pneumatisch erfolgen.
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Es versteht sich, daß auch der Kolben 3 in Richtung des Doppelpfeils
A hin und her verschiebbar ist.
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Der Funktionsablauf der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird im folgenden
anhand der Figuren 1 - 7 im einzelnen erläutert: Fig. 1 zeigt die Vorrichtung in
ihrer Ausgangsstellung, in welcher das Auslaßventil 4 geschlossen und das Einlaßventil
7 völlig geöffnet: ist. Der Dosierraum 1, der sich von der Kegelfläche 15 des Auslaßventils
4 bis zur Höhe der scharfen Kanten 32 der Einlaßöffnungen 8 erstreckt, ist völlig
mit Medium gefüllt. Dieses Medium kann beispielsweise den gesamten Vorratsraum 10
füllen; zumindest muß der nicht gezeigte Flüssigkeitsspiegel derart weit oberhalb
der Kanten 32 stehen, daß eine vollständige Füllung des Dosierraums 1 gewährleistet
ist.
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Bewegt sich nun der Dosierkolben 3 infolge einer entsprechenden Steuerung
der Kolbenstange 12 in Pfeilrichtung B nach unten, dann verdrängt er das im Bereich
der öffnungen 8 vorhandene Medium, bis er die Kanten 32 der öffnungen 8 erreicht.
Diese Stellung ist in Fig. 2 gezeigt. Wird beispielsweise Marmelade dosiert und
abgefüllt und sollte ein Fruchtkörper od. dergl. zwischen die untere Begrenzungskante
33 der Außenfläche 9 des Dosierkolbens 3 und die Kanten 32 der Einlaßöffnungen 8
geraten, dann wird er abgeschnitten. Zu diesem Zweck sind die unteren, an die Kanten
32 angrenzenden Flächen 33' der Einlaßöffnungen 8 abgeschrägt, derart, daß die Kanten
32 Schneidkanten bilden. An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, daß die untere
Stirnseite 34 des Dosierkolbens 3 zwar eben ausgebildet sein kann, daß jedoch die
gezeigte Aus führungs form bevorzugt wird, bei welcher die Stirnfläche 35 in der
gezeigten Weise kegelig ausgebildet ist. Diese Ausbildung sorgt dafür, daß bereits
vor Erreichen der in Fig. 2 gezeigten Stellung eine radiale Strömung aus dem Dosierraum
1 nach außen unter gleichzeitiger
Druckerhöiiuiig in dem Dosierraum
1 stattfindet, bevor sich die Kanten 32 und 33 berühren, was eine schlagartige Druckerhöung
im Dosierraum 1 zur Folge hätte, was nicht gewünscilt wird.
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liat dic Kante 33 des Dosierkolbens 3 die Kanten 32 der EinlaBöffnullgen
8 erreicht, dann bewegt sich die Ventilstange 13 aufgrund entsprechender Steuerung
des Ventilbetätigungfielements 28 ebenfalls in Pfeilrichtung B nach unten. Infolge
der in Fig. 2 oben gezeigten Ausgestaltung ist es nicht erforderlich, daß diese
Steuerung zeitlich besonders genau erfolgt, da der sich im Dosierraum 1 aufbauende
Druck in der Lage ist, das Auslaßventil 4 entgegen dem Druck der Tellerfedern 30
auf jeden Fall zu öffnen, sobald die Kante 33 des Dosierkolbens 3 die Kanten 32
in Pfeilrichtung B überschritten hat.
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Wie Fig. 3 zeigt, erfolgt in Offenstellung des Auslaßventils 4, das
hier in seiner Endstellung gezeigt ist, bei gleichzeitiger weiterer Bewegung der
Kolbenstange 12 in Pfeilrichtung B das Ausschieben des Mediums in Pfeilrichtung
C in den Düsenraum 16 und weiter aus der Düse 17 in Pfeilrichtung D hinaus in einen
nicht gezeigten, zu füllenden Behälter.
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Fig. 4 zeigt die Vorrichtung in einer Stellung, in welcher der Dosierkolben
3 seine äußerste Endstellung bzw. Ausschubstellung erreicht hat, während das Auslaßventil
4 noch offen ist. Unmittelbar anschließend schließt das Auslaßventil 4, wie man
aus Fig. 5 entnimmt.
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Zur Einleitung des nächsten Dosiervorgangs fährt nunmehr die Kolbenstange
12 mit dem Dosierkolben 3 in Pfeilrichtung E wieder zurück, und zwar bei geschlossenem
Auslaßventil 4. Dabei entsteht im Dosierraum 1 zwangsläufig ein
Vakuum,
bis die Kante 33 des Dosierkolbens 3 wieder die Kanten 32 erreicht hat und diese
überschreitet. In Fig. 7 hat dies bereits stattgefunden, d.h. der Dosierkolben 3
hat dies bereits stattgefunden, d.h. der Dosierkolben 3 hat die angeführte Stellung,
die im übrigen aus Fig. 2 entnehmbar ist, bereits erheblich überschritten. Das Medium
ist in Richtung der Pfeile F schlagartig in den Dosierraum 1 gestürzt und hat diesen
gefüllt, wobei eine Art Verdichtungsstoß stattgefunden hat. An dieser Stelle ist
ein weiterer Vorteil der kegeligen Stirnfläche 35 des Dosierkolbens 3 ersichtlich,
der darin besteht, daß sie das in den Dosierraum 1 hineinstürzende Medium abwärts
lenkt und somit verhindert, daß das Medium längs einer etwa ebenen Stirnseite radial
nach innen stürzt. Zwar verbleibt eine durchaus erwünschte Radialkomponente, doch
gewährleistet die Kegelfläche 35 eine Verstärkung der Axialkomponente der Bewegung
in Pfeilrichtung F.
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Es ist darauf hinzuweisen, daß die in Fig. 1 gezeigte Ausgangsstellung,
bei welcher der Dosierkolben 3 in seiner oberen Endstellung ist, hauptsächlich dann
gewählt wird, wenn die Vorrichtung nach Beendigung des Dosierens und Abfüllens gereinigt
werden soll.
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Ferner wird auf die Möglichkeit hingewiesen, durch eine unterschiedlich
weite Verschiebung des Dosierkolbens 3 in Pfeilrichtung B nach unten eine Dosierung
zu bewirken, ohne daß das Volumen des Dosierraums 1 geändert werden müßten diese
kann vielmehr stets gleich bleiben. In einem solchen Falle erreicht der Dosierkolben
3 seine in Fig. 4 gezeigte untere Endstellung nicht, er hält vielmehr bereits auf
beispielsweise dem halben Wege an, woraufhin sich das Auslaßventil 4 schließt und
der weitere Vorgang entsprechend den Figuren 6 und 7 verläuft. Der Düsenraum 16
ist während der kontinuierlichen Abfüllung des jeweiligen Modiwas stets gefüllt.
Der Auslaßdurchmesser d (Fig. 1)
wird stets entsprechend der jeweils
zu verarbeitenden Viskosität gewählt, d.h. er kann umso größer sein, je zäher das
Medium ist, ohne daß ein Nachtropfen aus der Düsenmündung 36 zu befürchten ist.
Die auswechselbare Düse 17 bzw. deren Durchmesser d wird somit stets nach Viskosität
und Konsistenz gewählt, da beispielsweise auch Fruchtstücke in dem jeweiligen Medium
vorhanden sein können.
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Da die Fläche des Ventilsitzes 14 in Verschließstellung eine Linienberührung
mit der kegeligen Fläche 15 aufweisen soll, ist sie vorzugsweise abgerundet, was
für ein Abquetschen von Fruchtstücken oder dergleichen genügt, die ein einwandfreies
Schließen des Auslaßventils 4 natürlich nicht behindern sollen.
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Wie man leicht entnimmt, sind sämtliche Räume und Flächen der erfindungsgemäßen
Vorric!ltllng auch für Reinigungsmittel leicht zugänglich.
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Ergänzend ist auf die oberhalb der Durchbrechungen 8 und damit der
Stege 11 vorteilhaft vorhandene Verlängerung 38 aufmerksam zu machen. Diese Verlängerung
38 dient nicht nur, wie auch die Stege 11, der FUhrung des Dosierkolbens 3, sondern
bewirkt außerdem eine Vexdrängungsstrpmng des Mediums, je nach Bewegung des Dosierkolbens
3. Da man den Vorratsraum 10 zweckmSßig stets bis mindestens zur Entlliftungsleitung
23 mit Medium füllt, fließt bei einer Bewegung des Dosierkolbens 3 in Pfeilrichtung
E in die Verlängerung 38 hinein das über deren Rand 37 strömende Medium nach den
Seiten ab, wobei von den Seiten durch die Durchbrechungen 8 hindurch Medium in den
vom Dosierkolben freigegebenen Raum des Zylinders 2 nachströmt. Der Dosierkolben
3 hat somit nicht nur eine Dosierfunktion und eine Ventilfunktion (Einlaßventil
7) sondern v 1) noch eine Verdrängerfunktion.