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Verfahren und Vorrichtung zu£ lierstellen thermoplastischer
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Kunststoffbehälter Die Lrfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum
Herstellen thermoplastischer Sunststoffbehälter durch gleichzeitiges oder aufeinanderfolgendes
Einblasen eines oder mehrerer Gase in eine den erhitzten plastischen Kunststoff
aufnehmende Gießform durch eine Blasdüse, wobei mindestens ein eingeführtes Gas
ein tiefgefrorenes, den entlang der Wandung der Gießform verteilten kunststoff abkühlendes
und verfestigendes Gas, z.B. Stickstoff, ist, sowie auf eine Vorrichtung zum Durchführen
dieses Verfahrens.
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Zur Herstellung thermoplastischer Behälter verwendet man im allgemeinen
sogenannte Gießformen. Der erhitzte Kunststoff wird am einen, vorzugsweise oberen
Ende der Gießform durch einen Extruder eingeführt, während in die Gießform am gegenüberliegenden
Ende eine Blasdüse hineinragt, durch welche ein gasförmiges Medium eingeführt wird.
Hierdurch wird der in die Gießform eingeführte erhitzte plastische Kunststoff zunächst
entlang der Wandung der Gießform verteilt und dann abgekühlt, wodurch sich die gewUnschte
Behälterform ergibt. Hiernach kann der Behälter aus der Gießform zu seiner weiteren
Behandlung entnommen werden.
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Bisher sind zum Blasen und Abkühlen des Kunststoffbehälters verschiedene
Verfahren bekanntgeworden. Bei einem Verfahren wird zum Blasen Preßluft verwendet,
während zum anschließenden Abkühlen des geblasenen Behälters bis zu einer gewissen
Form
haltigkeit Luft in den Behälter hineingesprüht wird. Das Verfabren
ist jedoch recht zeitraubend. um Abhürzen der für das Abkühlen erforderlichen Zeit
hat man die Cießformen zusätzlich mit kühlkanälen verschen, durch welche kühlwasser
geleitet werden kann. Weiterhin hat man versucht, den Behälter während der Abk2hlung
zur Abkürzung der hierfür benötigten Zeit mit flüssigem Kohlendioxyd zu besprühen.
Dabei hat es sich jedoch als nachteili 3 herausgestellt, da das flüssige kohlendioxyd
im I'unststoffmaterial Fehler in Form sogenannter kälteschocks hervorgerufen hat.
Daraufhin hat man statt flüssigem kohlendioxyd flüssigen Stickstoff mit besseren
Kühleigenschaften verwendet, aber auch hierbei ergaben sich noch Materialfehler
im Kunststoffmaterial durch Kälteschocks. Zur Vermeidung dieser schödlichen Auswirkung
hat man den flüssigen Stickstoff über einen Wärmetauscher lediglich als Kühlmittel
für die vorgenannte Luft verwendet. Überdies hat man vorgeschlagen, sowohl zum rasen
als auch zum kühlen ein tiefgefrorenes Gas, vorzugsweise Stickstoff, zu verwenden.
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Bei diesem Verfahren wird das tiefgcfrorene Gas entweder lediglich
in Gasform, oder in einer ltischung von gasförmigem und flüssigem Stickstoff oder
schließlich auch in flüssiger Form verwendet. Der geblasene kunststoffbehälter mu
im übrigen noch in flüssigem Zustand entspannt werden, was vorzugsweise durch herausheben
der Blasdüse aus der Gießform erfolgt.
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tei allen vorgenannten bekannten Verfahren hat sich der angestrebte
Erfolg, d.h. eine Steigerung der rroduhtionsgeschwindigkeit ohne kostensteigerung,
jedoch nicht zufriedenstellend eingestellt. Der Erfindung liegt deshalb die Aufl:gabe
zugrunde, das eingangs genannte Ferstellungsverfahren und die zu dessen Durchführung
dienende Vorrichtung so zu vervollkommen, daß die angestrebte Produktionssteigerung
ohne die vorgenannten Nachteile ermöglicht wird.
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Die gestellte Aufgabe ist bezüglich des Herstellungsverfahrens dadurch
gclöst, dar> ein Teil des oder der in die Gießform einfiihrten Case aus der Gießform
im Sinne der erzielung einer gleich-
mäPigen Abkühlung des erhaltenen
Behälters wieder in einem gleichmäßigen Gasstrom in die Umgebung abgeführt wird,
und daß das tiefgefrorene Gas in den Behälter in Gasforn! eingeführt wird.
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Bs hat sich gezeigt, daß durch die erfindungsgemäße Bespülung des
zunächst noch heißen kunststoffmaterials des Behälters mit einel.ln,ehr oder weniger
großen Anteil des nur gasförmig zugeführten Kühlgases eine wesentliche beschleunigung
der Abkühlung des Behältermaterials und damit zugleich eine wesentliche Beschleunigung
des ganzen Verfahrens erzielt werden kann, ohne daß afl runststoffjaterial Mängel
befürchtet zu werden brauchen.
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Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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In der Zeichnun ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht,
es zeigen : Ti. 1 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung zum Blasen und Abkühlen
von thermoplastischen Kunststoffbehaltern mittels Stickstoffgas ; Fig. 2 eine Blasdüse
der Vorrichtung gesäß Fig. 1 in einem scizeriatisch gehaltenen Längsschnitt (in
gegenüber iiq. 1 größeren Maßstab mit einer Darstellung der Gasströmung während
der slasphase); Fig 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung mit Veranschaulichung
der Gas strömung während der Entleerungsphase ; Fig. 4 dieselbe, jedoch in die Gießform
eingesetzte Blasdüse in einem weiterhin vergrößert dargestellten Teillängsschnitt;
Fig. 5a und Sb zwei weitere Ausführungsformen der Vorrichtung in je einer Schemadarstellung.
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Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zum Blasen und Abkühlen thermoplastischer
Kunststoffbehälter arbeitet mit Stickstoffgas und ist vor allem zum herstellen kleinerer
Behälter mit weeiner als 10 1 Inhalt vorgesehen. Die Vorrichtung umfaßt einen zur
Aufnahme flüssigen Stickstoffes bei entsprechend tiefen Temperaturen bestimmten
Tank 1, der über eine isolierte Leitung
2 mit einem über ein Solenoid
bettigLaren fagnetventil 3 zur gesteuerten Abgabe codes Stickstoffs verbunden ist.
An das von einer Relaisstation 12 aus steuerbare Magnetventil 3 schließt eine nichtisolierte
Leitung 4 einer bestbtiten Mindestlänge an, die zu einer Blasdüse 5 führt. Die Gases
5 ist in der dar<;estellten Weise von unten in eine Gießform 6 @ingesetzt, die
in allgemeinen aus zwei voneinander trennbaren Mälften zusam@engesetzt ist. An dem
der Blasdüse 5 gegenüberliegenden oberen Hnce der Gießform 6 wird der geschmolzene
thermoplastische Kunststoff über einen extruder 7 zugeführt. Imine von der Leitung
4 abzaTeigende Leitung führt zu einem weiteren Magnetventil 10, an welches eine
Einheit 11 zum Ablassen von Stickstoff aus der in der Gießform 6 geblasenen Behälter
8 in die Umgebung anschließt. Das Magnetventil 10 ist ebenfalls an die Relaisstation
12 angeschlossen, die ihrerseits über eine elektrische Leitung 13 an eine (nicht
dargestellte) Regelstation für die ganze Vorrichtung angeschlossen ist.
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Genuß den Fig. 2 bis 4 besteht die Blasdüse 5 aus einem Düsenkörper
5', der axial von einer Rohrleitung 14 durchsetzt ist.
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An ihrem aus dem Düsenkörper 5' herausragenden düsenseiigen Ende bildet
die Rohrleitung 14 einen Sprühkopf 15, der gemäß Fig. 4 aus einer axialen Drosselbuchse
19 und in Ausströmungsrichtung davor aus einer Anzahl radialer Bohrungen 20 besteht.
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Im übrigen ist die Rohrleitung 14 im austrittsseitigen Bereich des
Düsenkörpers 5' von einer in die Gießform 6 hinein offenen Ringkammer 16 umgeben,
in deren unteren Endbereich eine Anzahl schräg nach oben außen führender Bohrungen
18 einmündet, deren äußere, gegenüber den Bohrungen etwas vergrößerte Öffnungen
17 sich an einer gemeinsamen Umfangsstelle des Düsenkörpers 5' befinden. Auf einem
unterhalb der öffnungen 17 befindlichen Außengewinde 23 des Düsenkörpers 5'ist eine
Hülse 9 mittels eines entsprechenden Innengewindes verschraubbar, die mit ihrem
an das Innengewinde anschließenden oberen Teil als Ventilglied bis über die entsprechend
abzuschließenden öffnungen 17 verschiebbar ist.
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Wie aus den Fig. 1 und 4 ersichtlich ist, wird der herzustellende
Behälter 8 in der Gießform 6 mit nach unten gerichteter Öffnung geblasen, wobei
das in die Gießform 6 hineinragende Ende des Düsenkörpers 5' in die sehälteröffnung
hineinragt und dort zugleich eine Art Kern der Gießform 6 für den die obere Öffnung
umgebenden Hals 21 des Behälters 8 bildet. Während des Blasens entweicht an der
unteren Öffnung der Gießform 6 um die Blasdüse 5 herum plastisches Kunststoffmaterial
nach außen, welches dort einen in Fig. 4 gestrichelt angedeuteten weiteren falschen
Hals" 22 bildet. Im übrigen geht aus Fig. 4 hervor, daß die dargestellte Blasdüse
5 vor allem zum Blasen von Behältern 8 mit verhältnismäßig dicken Elälsen 21 bestimmt
ist.
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zum Beginn des Blasvorganges wird das Magnetventil 3 von der Regelstation
aus über die Relaisstation 12 aufgesteuert, womit flüssiger Stickstoff durch die
isolierte Leitung 2 in die Leitung 4 eintritt. Bereits zuvor wurde der flüssige
Kunststoff durch den Extruder 7 in die Gießform 6 eingeführt, wodurch nicht nur
die Gießform 6, sondern auch die -Blasdüse 5 und die Leitung 4 aufgeheizt wurden.
Infolgedessen verdampft der in die Leitung 4 gelangende Stickstoff und strömt als
tiefgekühltes Gas durch die Rohrleitung 14 und den Sprühkopf 15 in die Gießform
6, wodurch der eingebrachte flüssige Kunststoff zu der durch deren Hohlraum gegebenen
Behälterform aufgeblasen wird. Ein Teil des eingeblasenen Stickstoffgases strömt
gleichmäßig durch die Ringkammer 16 und die Bohrungen 18 der Blasdüse 5 nach außen
in die Umgebung ab, wobei der ausströmende Gasanteil mittels der Hülse 9 eingestellt
werden kann.
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Das gleichmäßige Ausströmen von Teilen des zugeführten Gases aus
dem Behälter 6 wirkt sich vorteilhaft, beispielsweise durch Turbulenzwirkung, auf
die Gasströmung im herzustellenden Behälter 8 aus. 8 hat sich gezeigt, daß nicht
nur eine intensivere Kühlwirkung auf den thermoplastischen Kunststoff, sondern auch
eine gleichmäßigere Wandstärke des herzustellenden Behälters erreicht wird. Es kann
deshalb die Zufuhr von Stickstoff zur
Gießform 6 schon unterbrochen
werden, bevor etwa flüssige Gasanteile in sie gelangen könnten. Die Stickstoffzufuhr
wird durch Schließen des Magnetventils 3 unterbrochen, während zugleich das Magnetventil
10 geöffnet wird, womit gemäß Fig. 3 der Behälter 8 und die Blasdüse 5 nicht nur
durch die Ringkammer 16 und die Bohrungen 18, sondern auch durch die Leitung 4,
das llagnetventil 10 und die Linheit 11 hindurch in die Umgebung entlüftet werden.
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Aus Fig. 4 ist weiterhin ersichtlich, daß mit dem Abströmen von Stickstoffgas
aus der Blasdüse 5 noch eine weitere Wirkung erzielt wird. Das durch die oeffnungen
17 ausströmende kalte Gas strömt nämlich gegen den vorgenannten falschen Hals 22
und kühlt diesen schnell ab, was gerade bei einer nur kurzen Elasvorgang wichtig
ist. Wenn der falsche Hals nämlich nicht schnell abgekühlt werden würde, erstarrt
der dortige thermoplastische Kunststoff nicht schnell genug und erschwert nach Herausnahme
des hergestellten Behälters 8 ein hinreichendes Säubern oer entleerten Gießform
6 von an deren unterer Gffnung noch haftenden klebriger aunststoff. Ini übrigen
gehen von sr:rülikopf 15 der Blasdüse 5 während des blasvorganges gemäß Fig. 2 sowohl
ein axialer Gasstrom nach oben in den zu blasenclen Behälter e hinein als auch mehrere
Gasströne radial verteilt nach außen gegen den Hals 21 (vgl. Fig. 4) des Behälters
P, wodurch gerade an dieser Halsstelle besonders großer iandstärke des behälters
8 eine dort benötigte besonders wirksane Kühlung erreicht wird.
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Zum Blasen und Abkühlen von Behältern 8 eines Volumens von weniger
als 10 1 mit der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Vorrichtung werden jeweils etwa
5 bis 15 Sekunden benötigt, was gegenüber den vergleichbaren bekannten Vorrichtungen
in den neisten F.-llen eine Produktionssteigerung von etwa 50 t bedeutet.
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Dabei ist der obere Teil una insbesondere der Sprühkopf 15 der Blasdüse
5 zur erzielung bestmöglicher ergebnisse selbstverständlich in der vorstehend beschriebenen
Weise an die Forr. des zu blasenden Behälters 6 angepaßt.
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Zui blasen von Lehältern mit nehr als 10 1 Inhalt werden Vorrichtungen
verwendet, wie sie grundsätzlich in den Fig. 5a und 5b veranschaulicht sind. Bei
beiden Ausführungsformen wird als Gas Luft und Stickstoff verwendet, damit der Verbrauch
an Stickstoff so klein wie möglich gehalten werden kann.
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Gemäß Fig. 5a wird Luft und Stickstoff der Blasdüse 24 zugleich zugeführt,
wobei die Luft über ein Magnetventil 31 und eine Leitung 26 und der Stickstoff von
einem dem Tank 1 des ersten Ausführungsbeispiels entsprechenden, nicht dargestellten
Tank aus über die isolierte Leitung 2, das Magnetventil 3 und die nichtisolierte
Leitung 4 in die Blasdüse 24 durch eine gesonderte axiale Rohrleitung zugeführt
rden. Am austrittsseitigen Ende dieser Rohrleitung befindet sich ein Sprühkopf 25,
dessen Formgebung der Form des zu blasenden und zu kühlenden Behälters angepaßt
ist. Wenn dieser Behälter beispielsweise eine im Verhältnis zu seinem Durchmesser
oder Querschnitt nur kleine Höhe aufweist, dann weist der Sprühkopf 25 entsprechend
dem Sprühkopf 15 des ersten Ausführungsbeispiels nicht nur eine axiale Austrittsöffnung,
sondern auch noch mehrere radiale Austrittsbohrungen für das Gas auf. Ist der Behälter
demgegenüber langgestreckt, dann ist der Sprühkopf im Sinne einer vor allem axialen
Ausströmung des Gases, d.h. also auch im Sinne einer Einströmung des Gases axial
in den Behälter hinein, ausgebildet.
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Die durch die Leitung 26 zugeführte Luft durchströmt die Blasdüse
24 in einem die vorgenannte Rohrleitung umgebenden Ringkanal. Dieser Ringkanal ist
wiederum von einem ebenfalls ringförmigen Rücklaufkanal 29 umgeben, der über eine
Rückleitung und das Magnetventil 10 an die Umgebung angeschlossen werden kann. An
den Rücklaufkanal 29 oder die letztgenannte Rückleitung ist noch ein weiteres Ablaßventil
30 angeschlossen, durch welches die gleichmäßig aus der Gießform abströmende Gasmenge
unabhängig von der Steuerung des Magnetventils 10 eingestellt werden kann. Schließlich
weist die Blasdüse 24 um den Rücklauf-
kanal 29 herum noch eine
ringförmige Kühlkammer auf, die einerseits an eine Zulaufleitung 27 und anderseits
an eine Ablaufleitung 28 fAr Kühlwasser angeschlossen ist.
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Das Magnetventil 31 und die sowohl zur Steuerung des Magnetventils
3 als auch des Magnetventils 10 dienende Relaisstation 32 sind gemeinsam an die
in Fig. 5a dargestellte Regelstation 33 angeschlossen. Während des Blas- und Kühlvorganges
werden zunächst die Magnetventile 3 und 31 geöffnet und Stickstoff und Luft der
Blasdüse 24 zugleich zugeführt. Durch die in in Fig. 5a nicht noch einmal dargestellter
Weise in die Gießform eingeführte Blasdüse 24 wird der Kunststoffbehälter geblasen
und abgekühlt, woraufhin die Magnetventile 3 und 31 wieder geschlossen werden und
nunmehr das Magnetventil 10 geöffnet wird. Infolgedessen erden nunmehr der geblasene
Kunststoffbehälter und die Blandtise 24 titer das bereits vorher erfolgte gleichmäßige
Abblasen von Anteilen des Gasgemisches durch das Ablaßventil 30 hinaus ins Freie
entlüftet.
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Aufgrund des schon während des Blasvorganges erfolgenden gleichlßigen
n Abblasens von Gas durch das Ablaßventil 30 ergeben sich im herzustellenden Behälter
besonders günstige Strömungsverhältnisse, die nicht nur zu einer schnellen Abkühlung
des ther-Doplastischen Kunststoffs, sondern auch zur Bildung einer sehr gleichmäßigen
Wandstärke des erstarrten Behälters führen.
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Die in Fig. 5a dargestellte Vorrichtung wird vorzugsweise zum Herstellen
von Kunststoffbehältern mit einem Volumen von etwa 10 bis 50 1 verwendet. Dabei
kann der Stickstoffverbrauch regen der zusätzlichen Verwendung von Luft sehr klein
und in etlichten Fallen sogar kleiner als bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung
gehalten werden, und zwar gemessen in kg Stickstoff je kg Kunststoff.
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Die in Fig. 5b dargestellte Vorrichtung dient zum Blasen und Abkühlen
von Behältern großen Volumens. Dabei erfolgt das
eigentliche Elasen
allein mit Luft, während der Stickstoff allein zum Abkühlen dient. Die Vorrichtunq
weist eine Blasdüse 24 gleicher Art auf, wie sie in Verbindung mit Fig. 5a beschrieben
wurde. Ebenso weist auch hier die Vorrichtung ein rlagnetventil 31 für die Luftzufuhr,
ein tiagnetventil 3 für die Stickstoffzufuhr, ein einstellbares Ventil 30 für das
Abblasen von Gas während des Dlasvorganges unc ein blagnetventil 10 zum Entlüften
des geblasenen Behälters und der Blasdüse 24 auf. Hier ist jedoch zwischen den riagnetventilen
3, 31 und 10 einerseits sowie der Regelstation 33 arierseits ein Zeitglied 34 eingeschaltet,
durch welches zu beginn aer Arbeit der Vorrichtung zunächst das iagnetventil 31
allein für die zum Glasen des Behälters erforderliche Zeit geöffnet wird, woraufhin
dieses Magnetventil wieder geschlossen und nunmehr das iiagnetventil 3 geöffnet
wird, damit der geLlasene Behälter durch das tiefgekühlte Stickstoffgas gekühlt
und verfestigt wird. Nach Ablauf der hierfür benötigten Zeit wird dann auch das
liagnetventil 3 geschlossen und schließlich das Magnetventil 10 geöffnet, wodurch
der ir;l hergestellten Behälter und im Rücklaufkanal 29 der Blasdüse 24 befindliche,
gegebenenfalls noch mit Restanteilen der Blasluft vermischte Stickstoff nach außen
entlüftet wird. Im übrigen sorgt auch hier das an die zum Magnetventil 10 führende
Rücklaufleitung angeschlossene Ventil 30 durch seinen eingestellten Öffnungsquerschnitt
für eine ständige Ausströmung von Anteilen der Blasluft und des tiefgekühlten Stickstoffs
sowohl während des Elasvorganges als auch während des bntlüftungsvorganges, wodurch
sich im Kunststoffbehälter nicht nur besonders vorteilhafte Strömungsverhaltnisse
im Sinne der Bildung einer gleichmäßigen Wandstärke des herzustellenden Behälters,
sondern auch eine besonders wirksame Kühlung des Behälters ergeben. Zudem trägt
die Abströmung des tiefgekühlten Stickstoffgases durch die Blasdüse 24 während des
Entlüftungsvorganges zu deren zusätzlicher Abkühlung bei.
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Mit der vorstehend beschriebenen, in Fig. 5b dargestellten Vorrichtung
können verhältnismäßig große Behälter, beispielsweise bis zu 800 1, hergestellt
werden. Dabei bleibt der Stick-
stoffvorbrauch in der gleichen
Größenoronung oder sogar niedriger als bei Vorrichtungen gemäß Fig. 5a.
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Durch das beschriebene Verfahren und dessen Anwendung mittels der
vorgenannten Vorrichtungen werden Behälter besonders guter Qualität erhalten, was
unter anderem uie Erzielung einer sehr gleichmäßigen Wandstärke des hergestellten
Behälters anbetrifft.
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Infolge der erzielten maximalen kühlwirkung können die hergestellten
Behälter auch gut aus der Gießform entnommen und beispielsweise zur Entfernung von
Kunststoffresten ausgespült werden. Das Verfahren kann sowohl zum Blasen mit Stickstoff
allein als auch zum gleichzeitigen Blasen mit Stickstoff und Luft sowie zum aufeinanderfolgenden
Blasen mit Luft und Stickstoff verwendet werden. Dabei erfordert die Durchführung
des beschriebenen Verfahrens an bisher üblichen Blas- und Kühlvorrichtungen nur
verhältnismäßig geringe Änderungen und verursacht keine größeren Kosten. Durch das
beschriebene Verfahren kann zugleich die Produktion erheblich gesteigert werden,
obgleich berücksichtigt wurde, daß zum Umbau der Blas- und Kühlvorrichtung nur geringe
Kosten anfallen und auch der notwendige Verbrauch an Blas- und Kühlgas, beispielsweise
Stickstoffgas, so gering wie möglich gehalten werden kann. Wenn die Produktionssteigerung
auch weitgehend von der jeweiligen Ausführung der Vorrichtung abhängt, so kann doch
gesagt werden, daß Produktionssteigerungen in der Größenordnung von 30 bis 100 z
ohne weiteres erreichbar sind.
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Selbstverständlich können die Form und insbesondere der Sprühkopf
und die Führung der Schiebehülse der Blasdüse sowie die Ausführung und Anordnung
des Ablaßventils gegenüber den dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispielen
Änderungen erfahren und die Erfindung ist auch nicht etwa an die Verwendung von
Luft und Stickstoff als Blas- und Kühlgas gebunden, da beispielsweise auch Argon
als Kühlgas Verwendung finden kann.
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Patentansprüche: