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Meßeinrichtung zum Messen des Schäumdruckes eines
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aufschäumbaren Kunststoffes Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung
für den Schäumdruck eines aufschäumbaren Kunststoffes, z.B.
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Polystyrol, in einer geschlossenen Form, bei der mittels eines einstellbaren
gasförmigen Steuermediums, z.B. Luft, ein in einem nach dem Formhohlraum hin stirnseitig
offenen Führungsgehäuses beweglich geführter Kolben gegen den aufgeschäumten Kunststoff
gedrückt wird.
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Meßeinrichtungen zum Messen des Schäumdruckes an der Formoberfläche
von aufzuschäumenden Formlingen während des Aufschäumens und Abkühlens in einer
Form sind bekannt.
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Dabei wird über einen geregelten Luftstrom ein in einem Zylinder geführter
Kolben wegen das Schäummaterial gedrückt. Dieser Zylinder ist dampfdicht in die
Formwand eingesetzt und weist einen Luftzuführungskanal und einen Luftabführungskanal
auf. Zusätzlich ist im Bereich des
Luftabführungskanals aus der
Zylindergrundfläche ein Dichtelement herau;gebildet, das mit der Kolbenunterseite
je nach Schäumdrucs dichtend zusammenwirkt. Wird der Kolben durch den Schäumdruck
an dieses Dichtelement herangedrückt, baut sich im Luftzuführungskanal so lange
ein Druck auf, bis dieser dem Schäumdruck entspricht.
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Bei weiterem Druckanstieg wird der Kolben von em Dichtelement entsprecheld
abgehoben und es bildet sich somit ein Spalt zwischen Kolbenunterseite und Dichtelement,
durch den die Steuzrluft über den Luftaustrittskanal wieder entweichen wann. Dadurch
ist bis zu einem gewissen Schäumdruckbereich eine Anpassung zwischen Schäumdruck
und Luftdruck gegeben. Damit die Luft von dem Luftzuführungskanal komrnend nicht
in den Forminnenraum eintreten kann, ist der Kolben mit einer 0-Ringdichtung versehen.
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Nachteilig ist jedoch, bedingt durch die Reibung des 0-Ringes, der
Einsatz einer solchen Druckmeßeinrichtung in niedrigem Druckoereich von z.B. 0,1
bar Überdruck.
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Durch diese 0-Ring-Reibung wird somit die Meßwertübertragung erheblich
eingeschränkt. Ein weiterer Nachteil ist, daß der 0-Ring mit dem Heißdampf in Berührung
kommt und somit einem erhöhten Verschleißprozeß unterlieyt.
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Als weiterer Nachteil ist zu nennen, daß dieser 0-Ring durch die Benutzung
von Kühlwasser verunreinigt werden kann, was somit zu einer Erhöhung des Reibungswiderstandes
und einem Absinken der Feinfühligkeit bezüglich eines
niedrigen
Schaumstoffdruckes führt.
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Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Meßeinrichtung zu
schaffen, deren Kolben nahezu reibungslos den Schäumdruck in einem Übersetzungsverhältnis
>1 auf einen Druckwert-Anzeiger überträgt.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch folgende Merkmale gelöst: a)
innerhalb des Führungsgehäuses ist ein Dampfströmungsweg an der Außenumfangsfläche
des Kolbens gebildet; und b) auf der mit Steuermedium beaufschlagten Seite des Kolbens
ist eine mit einem Jippenartig ausgebildeten Dichtelement umgebene I,ippengrundfläche
ausgebildet, deren Flächengröße enttprechend einem gewünschten Übersetzungsverhältnis
auf die Flächengröße der dem Forminnenraum zugewandten Folbenstirnseite abgestimmt
ist.
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In besonders vorteilhaftei Weise kann der Kolben zur Bildung des Dampfströmungsweges
ein Spiel zwischen 0,1 bis 0,3 mm, vorzugsweise 0,2 mm, gegenüber der Innenfläche
des gehäuses aufweisen. Bedingt durch dieses Spiel des Kolbens gegenüber der Innenfläche
des Führungsgehäuses wird dieser während der ersten Aufschäumphase von beiden Seiten
gleichmäßig mit Dampfdruck beaufschlagt, wobei diese gleichmäßige Beaufschlagung
der Kolbenstirnseite und der gesamten Kolbenunterseite zur Abhebung der Dichtlippe
des Dichtelementes von dem Führungsgehäusegrund führt. Dadurch kann
der
Strom des gasförmigen Mediums ungehindert über den dabei auftretenden Spalt und
dem DatEströmungsweg zwischen Kolben und Führungsqehäuseinnenfläche in den Forminnenraum
gelangen.
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Ist der Schäumdruck größer als der Druck des gesteuerten Stromes
des gasförmigen Mediums, wird der Kolben mit der Dichtlippe so weit gelen den Führungsgehäusegrund
gedrückt, bis ein Druckausgleich zwischen Schäumdruck und Staudruck des gasförmigen
Mediums erreicht ist. Je nach Schäumdruck wird ein entsprechend großer Spalt zwischen
Führungsgehäusegrund und der Dichtlippe gebildet, aus dem die entsprechende Gasmenge
abströmen kann, die zur Erreichung eines Druckausgleiches notwendig ist. Diese Gasmenge,
z.B. Luftmenge, kann bei einem Material mit hohem Aufschäumdruck über Durchlaßöffnungen,
die in der Umfangswand des Führungsgehäuses angeordnet sind und dem Stiel zwischen
der Innenfläche des Führungsgehäuses und des Außenumfanges des Kolbens in die Dampfkammer
bzw. in dn Formeninnenraum abströmen. Ist der Dampfdruck größer als der Schäumdruck
des aufzuschäumenden Materials, wird bei vrschlossenen Durchlaßöffnungen, die in
der Umfangswand de.; Führungsgehäuses angeordnet sind, oder bei Verwendung eines
Führungsgehäuses ohne diese Durchlaßöffnungen der Dampf über eine Dampfdruck-Entlastungsbohrun
und einer entsprechenden Dampfleitung in eine Kondensateinrichtung weitergeleitet.
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In vorteilhatter Weise kann die mit Steuermedium beaufschlagte
Seite des Kolbens eine sacklochförmige Ausnehmung aufweisen, die zur Aufnahme des
lippenartigen Dichtelementes dient. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
kann aus der mit Steuermedium beaufschlagten Seite des Kolbens ein lippenartiges
Dichtelement direkt herausgebildet sein, wobei der Kolben aus einem heißdampfbeständigen
Kunststoff besteht. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann der Kolben
aus einem Leichtmetall, vorzugsweise Aluminium, bestehen, der aufgrund seines geringen
Eigengewichtes mittels des Dampf- bzw. Gasdruckes sich leicht hin und her bewegen
läßt. In besonders vorteilhafter Weise kann der Außenumfang des Kolbens mit einer
umfänglich verlaufenden Nut versehen sein, die u.a. zur weiteren Eigengewichtreduzierung
führt. In einer weiteren vorteilhaften Weise kann die Lippengrundfläche des Dichtelementes
von einer nach oben abstehenden Lippe umgrenzt werden, wobei die Dichtlippe eine
kreisförmige odzr eine quadratische bis rechteckige Iippengrundfläche unschließen
kann. In einer weiteren t vorteilhaften Ausführungsform kann der Kolben einen quadratischen
bis rechteckigen Querschnitt aufweisen.
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In einer besonders vorteilAaften Weise kann eine Dampfdruck-Entlastungsbohrung
in einem rückwärtigen Fortsatz des Führungsgehäuses ausgebildet sein, die außerhalb
der Lippengrundfläche in den Führungsgehäusegrund einmündet. Dies
ist
dann besonders vorteilhaft, wenn ein Material aufgeschäumt wird, dessen Schäumdruck
kleiner ist als der für die Aufschäumung benötigte Dampfdruck. Bei verschlossenen
bzw. nicht in der Umfangswand des Führungsgehäuses ausgebildeten Durchlaßöffnungen
wird die entsprechende Dampfmenge über diese Dampfdruck-Entlastungsbohrung in eine
Kondensateinrichtung weitergeleitet.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann in der Umfangswand
des Führungsgehäuses mindestens eine Durchlaßöffnung angeordnet sein, die den Führungsgehäuse-Innenraum
mit der das Führungsgehäuse umgebenden Dampfkammer verbindet.
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Diese Durchlaßöffnungen sind dann notwendig, wenn der Schäumdruck
größer ist als der Dampfdruck. Dabei kann für diesen Anwendungsfall die DOmpfdruck-Entlastungsbohrung
mittels einen Ventiles nach außen verschlossen sein.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung besteht
darin, daß sie sich besonders einfach und günstig mit einer Temperatur-Meßeinrichtung
für die Formwand vereinigen läßt. Dies vird im Rahmen der Erfindung dadurch erreicht,
daß das Führungsgehäuse mit einem abgeflachten rückwärtigen Fortsat versehen ist,
der außer einem Steuermedium-Zuführungskan-l eine zusätzliche, in vorbestimmter
Tiefe eingesetzte Teflperatur-Meßsonde aufnimmt. Diese n J1 den r-ückwärticjen Fortsatz
des Führungsgehäuses aufgenommene
Temperatur-Meßsonde ist je nach
Art des Materials des rückwärtigen Fortsatzes des Führungsgehäuses entsprechend
tief eingesetzt, um die gleichen Temperaturverhältnisse, wie sie im Forminnenraum,
insbesondere an der Innenfläche der Formwand herrschen, wiederzugeben. Diese erfindungsgemäße
Temperatur-Meßsonde ist mit einem elektromagnetischen Steuerglied verbunden, das
bei erreichter Endtemperatur die Kühlung der Formenhälften abschaltet. Dadurch wird
die Wiederaufheiz-Energie der Formhälften auf ein Minimum beschränkt.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Weise kann das Führungsgehäuse
mit nur geringem Spiel so weit in einen in der Formwand ausgebildeten Durchbruch
greifen, um mit der Innenfläche der Formwand eine Ebene zu bilden. Dieses vorhandene
geringe Spiel erlaubt ein leichtes Einfügen des Führungsgehäuses in den in der Formwand
ausgebildeten Durchbruch. Dieses Spiel kann in Form eines leichten Passungssitzes
vorhanden sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Weise kann ein Hubbegrenzungselement
am Führungsgehäuse angebracht sein, das in die Nut des darin befindlichen Kolbens
berührungslos eingreift, um diesen in seiner axialen Beweglichkeit zu begrenzen.
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Dadurch ist gewährleistet, daß der im Führungsgehäuse be-
findliche
Kolben auch bei unterschiedlichen Druckverhältnissen immer im Führungsgehäuse verbleibt.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Weise kann der durch den abgeflachten
rückwärtigen Fortsatz des Führungsgehäuses geführte Steuermedium-Zufiihrungskanal
im zentralen Bereich des Führungsgehäusegrundes einmünden.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Weise kann der rückwärtige
Fortsatz des Führungsgehäuses in seiner Abmessung im wesentlichen der doppelten
Wanddicke der Formwand entsprechen. Dies ist den besonders vorteilhaft, wenn der
rückwärtige Fortsatz des Führungsgehäuses und die Formwand aus gleichem Material
bestehen. Während des Abkühlprozesses mittels Kühlwasser werden dadurch gleiche
Abkühlgeschwindigkeiten von Formwand und rückwärtigem Fortsatz erreicht und somit
gleiche TemperEturverhältnisse an jeder Stelle des Querschnittes von Foimwand und
rückwärtigem Fortsatz. In einer besonders vorteilhaften Weise kann parallel zum
Steuermedium-Zuführur.gskanal in Abstand einer Wanddicke der Formwand eine Aufnahmebohrung
zur Aufnahme einer Temperatur-Meßsonde angeordnet sein, wobei bei Ausbildung des
rückwärtigen Fortsatzes des Führungsgehäuses aus gleichem Material die Formwand
die Anordnungstiefe der Aufnahmebohrung von der Oberfläche des abgeflachten rückwärtigen
Fortsatzes des Führungsgehäuses im wesentlichen gleich der Wanddicke der Formwand
ist. Dadurch wird erreicht, daß die
Temperaturverhältnisse in der
Aufnahmebohrung zur Aufnahme der Temperatur-Meßsonde und der Innenfläche der Formwand
gleich sind. In einer weiteren vorteilhaften Weise kann die Aufnahmebohrung entsprechend
der Wanddicke der Formwand vor dem Führungsgehäusegrund enden, um ebenfalls entsprechende
Temperaturverhältnisse, wie sie an der Innenfläche der Formwand herrschen, wiederzugeben.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann bei Ausbildung des abgeflachten
rückwärtigen Fortsatzes des Führungsgehäuses aus von der Formwand unterschiedlichen
Material die Anordnungstiefe der Aufnahmebohrung von der Oberfläche des abgeflachten
rückwärtigen Fortsatzes im Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten der Materialien
zu der Wanddicke der Formwand stehen. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn
die Abmessungen des rückwärtigen Fortsatzes des Führungsgehäuses möglichst klein
gehalten werden sollen.
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In einer besonders vorteilhaften Weise kann das Führungsg häuse an
seinem abgeflachten rückwärtigen Fortsatz mittels einer dampfdichte Schraubverbindung
an einem Halterohr befestigt sein, wobei das Halterohr wiederum an einer dem Führungsgehäuse
gegenüberliegenden Seite der Dampfkammerwand dampfdicht nach außen fest angebracht
ist. In einer weiteren vorteilhaften Weise kann das Führungsgehäuse aus dem gleichen
Material wie die Formwand bestehen. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform
kann das Führungs-
gehäuse und der Kolben im wesentlichen zylindrisch
ausgebildet sein.
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In besonders vorteilhafter Weise kann die Temperatur-Meßsonde mit
einem elektromagnetischen Steuerglied verbunden sein zum Abschalten der Kühleinrichtung
bei erreichter Abkühltemperatur des aufgeschäumten Formlings. Dadurch wird ein gesteuertes
Abkühlen der Formenhälften erreicht. Die Formenhälften werden nicht unnötig tief
herabgekühlt, was somit zur Einsparung an Wiederaufheiz-Energie führt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch Führungsgehäuse und
Formwand; Fig. 2 eine Draufsicht auf das Führungsgehäuse gemäß der Figur 1; und
Fig. 3 einen Schnitt gemäß 3-3 der Figur 2.
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Die Figur 1 zeigt ein Führungsgehäuse 10 einer Meßeinrichtung das
in einem Halterohr 28 mittels einer Schraubverbindung 30 dampfdicht befestigt ist.
Das Halterohr 28 ist an der Dampfkammerwand 29, curch die es hindurchtritt, befestigt
und wird mittels eines Dichtelementes 32 dampfdicht nach außen verschlc,ssr:i. T?er
von einem nicht gezeigten Drosselventil gesteuerte Luftstrom 35 wird mittels eines
Luftschlauches
34 und über ein Kupplungsstück 33 in den Steuerluft-Zuführungskanal
16 des Führungsgehäuses 10 eingeführt.
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Durch das Auftreffen des gesteuerten Luftstromes 35 auf die Lippengrundfläche
13 des Dichtelementes 12 wird der Kolben 11 in Tolge des dabei entstehenden Staudruckes
axial in Richtung des Forminnenraumes 36 verschoben. Der mit dem Dichtelement 12
versehene Kolben 11 ist mit einem Spiel von etwa 0,2 mmim Führungsgehäuse 10 beweglich
geführt.
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Um ein Herausgleiten des Kolbens 11 aus dem Führungsgehäuse 10 zu
vermeiden, ist ein Hubbegrenzungselement 24, z.B.
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ein Gewindestift, mittels einer Gewindebohrung 38 im Führungsgehäuse
10 angebracht, det in die Nut 18 des Kolbens 11 entsprechend tief eingreift.
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Die Messung des Sch<iumdruckes während des Aufschäumens und Abkühlens
des aufschäumbaren Kunststoffes 37 wird im nac folgenden näher erläutert: Der in
den Forminnenraum 36 eingebrachte Kunststoff, z.B.
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Polystyrol, in Granulatform wird mittels Heißdampf, der aus der Dampfkammer
31 kommt, zum Aufschäumen gebracht. Dabei tritt während der Aufschäumphase bei einem
aufzuschäumenden 1 Material mit hohem Aufschäumdruck der Heißdampf außer über die
Dampfeinlaßkanäle 39 an der Formwand 20 auch über die Durchlaßöffnungen 23, die
am Außenumfang des Führungsgehäuses 10 angebracht sind, in den Forminnenraum 36.
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Dadurch wird der mit entsprechendem Spiel im Führungs-
gehäuse
10 versehene Kolben 11 während der ersten Aufschäumphase von beiden Seiten gleichmäßig
mit Dampfdruck beaufschlagt. Durch diese gleichmäßige Beaufschlagung der Kolbenstirseite
14 und der gesamten Kolbenunterseite wird die Dichtlippe 19 des Dichtelementes 12
von dem Führungsgehäuse grund 27 sqweit abgehoben, daß der Luftstrom 35 ungehindert
über den dabei gebildeten, entsprechend den Druckverhältnisse großen Spalt ebenfalls
in den Forminnenraum 36 gelangt.
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Wird nun während der Aufschäumphase der Schäumdruck größer als der
Druck des Luftstromes 35, wird der Kolben 11 mit der Dichtlippe 19 so weit gegen
den Führungsgehäusegrund 27 gedrückt, bis sich ein Druckausgleich zwischen Schäumdruck
und Luftdruck bildet. Dieser Druckausgleich wird dadurch erreicht, daß je nach Schäumdruck
ein entsprechend großer Spalt zwischen dem Führungsgehäusegrund 27 und der Dichtlippe
19 gebildet wird, aus dem die entsprechende Luftmenge abströmen kann, die für einen
Druckausgleich notwendig ist.
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Diese Luftmenge kann über die Durchlaßöffnungen 23 und dem vorhandenen
Spiel zwischen der Innenfläche des Führungsgehäuses 10 und des Außenumfanges des
Kolbens 11 in die Dampfkammer 31 bzw. in den Forminnenraum 36 abströmen.
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Außerdem kann der Kolben 11 mit axial verlaufenden Bohrungen versehen
sein, die außerhalb des Dichtelementes 12 umfangseitig angeordnet sin und in die
Nut 18 führen. Somit paßt sich der zwischen Führungsgehäusegrund 27 und der
Dichtlippe
19 gebildete Spalt dem jeweiligen Druck des aufgeschäumten Kunststoffes 37 fortwährend
an.
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Entsprechend dem Flächenverhältnis der Kolbenstirnseite 14 zur Lippengrundfläche
13 wird der Schäumdruck auf einem Manometer übersetzt angezeigt. Dadurch können
auch kleinste Schäumdrücke durch entsprechende Wah3 der Flächenverhältnisse gut
sichtbar am Manometer angezeigt werden. Durch das relativ! große Spiel zwischen
Kolben 11 und der Innenfläche des Führungsgehäuses 10 wird die Feinfühligkeit bezüglich
Druckänderungen erheblich verbessert, da die Reibung zwischen dem Außenumfang des
Kolbens 11 und der Innenfläche des Führungsgehäuses 10 nahezu ausgeschlossen ist.
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Ist ein gewünschter Schäumdruck erreicht, der auf dem Manometer entsprechend
übersetzt angezeigt wird, so beginnt die Abkühlung des aufgeschäumten Formlings.
Dabei werden die Formwäde 20 mittels Kühlwasser so lange besprüht, bis der gewünschte
Enddruck des Formlings eingetreten ist Um die Formwände 20 nicht unnötig tief herunterzukühlen,
ist eine Temperatur-Meßsonde 17 in dem Führungsgehäuse 10 derart angebracht, daß
sie die Temperaturverhältnisse an der Innenfläche der Formwand 22 des Forminnenraumes
36 wiedergibt.
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Dies wird unter Verwendung eines gleichen Materials von Formwand 20
und Führungsgehäuse 10 dadurch erreicht, daß die Ternperatur-Meßsollde 17 so tief
in den abgeflachten
rückwärLigen Fortsatz 15 eingesetzt wird, wie
es der Wanddicke der Formwand 20 entspricht.
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Die Figur 3 zeigt die Anordnung der Aufnahmebohrung 26 für die Temperatur-Meßsonde
17 im ruckwärtigen Fortsatz 15 des Führungsgehäuses ]o.
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Besteht. der rückwärtige Fortsatz 15 des Führungsqehcuses 10 z.B.
aus Kupfer- und clie Formwand 20 aus Aluminium, so kann die Abmessung 25 des rückwärtigen
Fortsatzes 15 aufyrund der unterschiedlichen Dichte und Wärmekapazitäten wesentlich
kleiner gestaltet werden. Dabei kann das Führungsgehäuse 10 ebenfalls aus Kupfer
bzw. einer Kupferlegierung bestehen.
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Die so in den rückwärtigen Fortsatz 15 entsprechend dem Material tief
eingelegte Temperatur-Meßsonde 17 ist mit einem elektromagnetischen Steuerglied
verbunden, das bei erreichter Abkühl-Endtemperatur von z.B. 700 C die Kühlung abschaltet.
Durch di(.->es qE'StQuerte Abkühlen der Formenhälften mittels der Temperatur-Meßsonde
wird die Energie für das Wieder@zenkJi tUIi'I dt1 ilti] .w(+rl< ..(I derlormhälfterl
auf ein Minimum beschränkt.
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Wird ein Schaumstoff mit geringem Raumgewicht aufgeschäumt, ist es
oft der Fall, daß der zum Aufschäumen notwendige Dampfdruck größer St- als der Schäumdruck
des z. B. aufgeschäumten Polystyrol;;. Um den Schäumdruck im Forminnenraum 36 unverfälscht
wiederzugeben, ist eine Dampfdruck-Ent-1
lastungsbohrung 40 vorgesehen,
die im abgeflachten rückwärtigen Fortsatz 15 des Führungsgehäuses 10 derart ausgebildet
ist, daß sie außerhalb der Lippengrundfläche 13 in den Führungsgehäusegrund 27 einmündet.
Die am Außenumfang des Führungsgehäuses 10 angeordneten Durchlaßöffnungen 23 werden
in diesem Falle mittels einer dampfbeständigen kittartigen Masse verschlossen, oder
es findet ein Führungsgehäuse 10 Verwendung, das nur mit einer Dampfentlastungsbohrung
40 versehen ist. Durch diese Dampfdruck-Entlastungsbohrung 40 ist somit gewcihrleist.et,
daß immer eine exakte Messung des Schäumdruckes vorgenommen werden kann, da der
Dampf vom Form:tnntiraum 36 durch das vorhandene Spiel zwischen Kolben 1.1 undder
Innenfläche des Führungsgehäuses 10 in die f)ampfdruck-F:ntlastungsbohrung 40 weitergeleitet
wird. Um während der Aufschäumphase mittels Heißdampf ein Ahströmen dieses Heißdampfes
aus der Dampfdruck-Entlastungsbohrung 40 in die Atmosphäre zu vermeiden, wird diese
über eine Leitung mit einer Kondensateinrichtung verbunden.