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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von optischen
Elementen aus synthetischem thermoplastischem Material, wie z.B.
ophthalmische Linsen, Linsen für
Instrumente oder für optische
Präzisionselemente,
welche mittels Spritzgießen
erhalten werden.
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Das
Gießen
von ophthalmischen Linsen aus synthetischem thermoplastischem Material
folgt immer häufiger
mittels Injektion oder Spritzen, dieses Verfahren erlaubt die direkte
Transformation des Kunststoffrohmaterials in fertige Linsen (ohne
Beschichtung). Es ist bei der Herstellung von optischen Linsen mittels
eines Verfahrens dieser Art bekannt, dass das thermoplastische Material
vorab erwärmt wird,
um bei einer Temperatur die höher
ist als der Glasübergangspunkt
zu schmelzen. Bei dieser Form wird das Material unter starkem Druck
in einen Gusshohlraum geeigneter Form und Dimension eingebracht,
welcher in einer Gussform angeordnet ist. Man lässt das Material daraufhin
zum Aushärten
abkühlen,
bevor die so geformte Linse aus ihrer Gussform genommen wird. Gewöhnlicherweise
verwendet man als Material ein thermoplastisches Harz wie beispielsweise
Methyl-Polymetacrylat, Polycarbonat oder Polycarbonat-Copolymere,
Polynorbornen, Polystyren, zyklische Polyolefine oder Copolymere
davon, etc.
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Um
ophthalmische Linsen zu erhalten, welche optische Qualitäten entsprechend
ihrer Bestimmung aufweisen, müssen
bestimmte Vorkehrungen bei der Herstellung getroffen werden, besonders
um irreguläre
Deformationen oder das Vorhandensein von residualen internen Spannungen
zu vermeiden. Diese Deformationen oder Spannungen rühren von einer
Anisotropie oder anderen unerwünschten
optischen Aberrationen wie beispielsweise einer Doppelbrechung her.
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In
dieser Beziehung wird ein spezielles Augenmerk auf die Realisierung/die
Ausgestaltung der Innenwand des Gusshohlraums in der Gussform getroffen.
Immer häufiger
setzt sich die Gussform aus zwei Werkzeugblockhälften zusammen, wobei in jeder
Hälfte
zumindest eine Vertiefung der Gussform/ein Formhohlraum angeordnet
ist, welche einer entsprechenden Vertiefung/Hohlraum die gegenüber in dem
anderen Block angeordnet ist, zugeordnet ist. Diese zwei Blockhälften sind
mit Bezug zueinander beweglich zwischen einer offenen Konfiguration/Stellung,
welche einen direkten Zugang zu den Vertiefungen freigibt und einer
geschlossenen Konfiguration/Stellung, in welcher die zwei Blockhälften mit
Verbindungsflächen
in Kontakt sind, welcher einer transversalen Verbindungsebene folgen
und in welcher sich die Vertiefungen/beziehungsweise Formhohlräume paarweise
komplementieren um den gewünschten
Gusshohlraum oder die gewünschten Gusshohlräume bzw.
Kavitäten
auszubilden.
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Jeder
Formhohlraum beziehungsweise jede Vertiefung der Gussform ist transversal
durch eine auswechselbare Gusskokille begrenzt, die eine Guss-Arbeitsseite
aufweist, welche geeignete Dimensionen und Rundungen bzw. Krümmungen
besitzt, entsprechend (einen bestimmten Rückzugsfaktor mittelnd) entsprechend
denen, welche die fertige Linse ergeben. Diese Kokillen sind beispielsweise aus
rostfreiem Stahl, nickelbasierenden Legierungen oder Mineralglas
und weisen einen optischen Glanz analog denen eines Spiegels auf.
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Des
Weiteren ist es häufig
empfohlen, dass Spritzen beziehungsweise Injizieren des Materials
in den Fromhohlraum in zwei aufeinander folgenden Phasen vorzunehmen:
eine erste Phase des Befüllens,
genauer gesagt, während
derer die Vertiefung beziehungsweise der Hohlraum sich progressiv
füllt und
einer zweiten Phase der Verdichtung/Füllung oder Kompression welche
dem vollständigen
Befüllen
des (Form-)Hohlraums folgt. Diese zweite Phase des Füllens/Verdichtens
oder der Kompression besteht daraus, dass so in den (Form-)Hohlraum
eingebrachte Material einem erhöhten
Druck über
einen vorbestimmten Zeitraum auszusetzen und hat zum Ziel, Einsenkungen
oder Pressfehler zu vermeiden, eine korrekte Dichte des Materials
zu gewährleisten und
in einem bestimmten Maß die
internen unvorteilhaften Spannungen zu reduzieren. Wenn dieser Druck
von der Spritzmaschine selbst erzeugt ist, spricht man von Füllung oder
Verdichtung. Wenn dieser aus einem annähern der Gusskokillen resultiert, spricht
man von Kompression.
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Wie
dem auch sei, können
zu den Vorkehrungen, welche das Werkzeug und die Bedienform darstellen,
Vorkehrungen hinzugefügt
werden, welche die Heizung des Kunststoffmaterials und der Gussform
während
des Giessens bezwecken. Es erweist sich in der Tat als wichtig,
die Temperatur der Gusskavität
und seiner Innenwände,
insbesondere die Temperatur an der Arbeitsseite der Kokille, während aller
Schritte des Giessens zu beherrschen/kontrollieren und zwar gemäß einem
Temperaturgradient der über
die Zeit und den Raum definiert ist. Zu diesem Zweck sind gewöhnlicherweise
die Gussblockhälften/Werkzeugblockhälften mit
thermischen Transfermitteln ausgerüstet, vorzugsweise ambivalenten
(im Besonderen dazu geeignet gleichzeitig Heiz- und Kühlfunktionen
auszuüben)
um die Temperatur der Gussform um die Gusskavität/den Formhohlraum von einem
zu dem nächsten
Zyklus zu regulieren und um die Wärmeabfuhr der gegossenen Linse
zu beschleunigen. Dabei kann es sich beispielsweise um Zirkulationskanäle für ein Wärmeträgerfluid
handeln. Die durch die Zirkulation der warmen Flüssigkeit oder elektrische Widerstände bereitgestellte
oder abgeführte
Wärme verteilt
sich in der Masse der Werkzeugblockhälften und, über thermische Konduktivität, in der
Masse der Kokillen, und verbreitet sich über deren Arbeitsflächen in
den Gusshohlraum und geht während
der Formgebung zu dem Kunststoffmaterial über.
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Diese
Form der Heizung/Kühlung
weist in der Praxis Nachteile auf insbesondere aufgrund der Höhe der thermischen
Trägheit
der Werkzeugblockhälften.
Es kann insbesondere eine fehlende Präzision sowohl was das Abführen der
Temperatur in der Gussform um den Gusshohlraum und was die Variation
dieser Temperatur über
die Zeit angeht. Zunächst
wird dadurch das Erwärmen
des Kunststoffmaterials in regulärer/regelmäßiger Art
und gleichförmiger
Form nicht gewährleistet,
wie es wünschenswert
wäre um
interne Spannungen zu vermeiden. Die verschiedenen Abschnitte der
Gussform und insbesondere der Innenwand des Gusshohlraums erreichen
nur progressiv und ungleich die Temperatur, welche für jeder
der verschiedenen Phasen des Gießens erforderlich ist. Dieser
Mangel an Uniformität/Gleichheit
des Wärmeübergangs
findet sich auch beim Abkühlen
nach dem Spritzen/Injizieren. Zudem ist die Temperaturentwicklung
an der Innenwand des Gusshohlraums während der verschiedenen Phasen des
Giessens nicht in ausreichend präziser
Weise kontrolliert, wodurch das Risiko entsteht, wesentliche optische
Fehler wie zuvor erwähnt
wurde, einzubringen, oder was es erforderlich macht, die Zykluszeit
in untolerierbare Dimensionen zu erhöhen. Aus dieser Ungleichheit
des Heizens und Kühlens
an verschiedenen Punkten des zu gießenden Materials und aus der
Ungenauigkeit des Temperaturgradienten über die Zeit resultiert, dass
die so er haltene optische Linse Deformationen und Spannungen beinhaltet,
die soweit gehen können,
dass sie die Linse für
die optischen Anwendungen, für
die sie bestimmt ist, ungeeignet machen.
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Zur
Verbesserung der Präzision
der Kontrolle des Temperaturgradienten wurden Gussformen konzipiert,
in denen die Kokillen selbst mit intrinsischen und ambivalenten
Mitteln zum Wärmetransfer ausgerüstet sind,
wie beispielsweise Kühlmittelzirkulationskanäle. Eine
solche Integration von ambivalenten thermischen Transfermitteln
in die Hauptabschnitte der Gussform, welche die Kokillen darstellen,
erlaubt außerdem
das Heizen und das Kühlen der
wesentlichen Abschnitte der Wand Gusshohlraums gemäß einem
optimierten thermischen Regulationsgesetz sicherzustellen, ohne
dass es notwendig ist, die Gussform zu bewegen um sie dem Einwirken
von externen Heiz- und/oder Kühleinrichtungen zu
unterziehen. In jedem Fall sind gemäß den gewöhnlichen Vorrichtungen dieses
Typs die Kokillen, welche dazu vorgesehen sind, Heiz- und Kühleinrichtungen
aufzunehmen, an der betreffenden Werkzeugblockhälfte fixiert und es sind bei
dieser Anordnung Anschlüsse
mit Versorgungen für
Heizflüssigkeiten
oder elektrischen Strom angeordnet. Bei Anlagen dieser Art sind
die Arbeitsschritte zur Montage und Demontage der Kokillen lang
und kompliziert.
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Um
Komplikationen zu vermeiden und gleichzeitig die Vorteile, die sich
aus dem direkten Wirken der thermischen Transfermittel/Wärmetransfermittel
oder -einrichtungen auf die Kokillen ergeben, beizubehalten, wird
vorgeschlagen, die Kokille in zwei Abschnitten auszuführen:
- • eine
Basis, aufnehmend die Gesamtheit der thermischen Transfereinrichtungen/Wärmeübertragungseinrichtung
der Kokille, und
- • einen
bezogen auf die Basis herausnehmbaren Einsatz der eine Gussseite
aufweist, wobei dieser Einsatz bar jeden intrinsischen Wärmeübertragungsmittels
ist und thermisch ausschließlich über Wärmetransfer
mit der Basis reguliert ist.
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Der
Einsatz ist somit auswechselbar und kann aus einem vorher bestimmten
Satz ausgewählt sein,
oder in Abhängigkeit
der Definition der gewünschten
Oberfläche
für die
Linse auf Anfrage hergestellt sein. Die Montage/Demontage des Einsatzes bezüglich der
Basis ist somit erleichtert und schnell, da sie ohne jeden hydraulischen
oder elektrischen Anschluss, weder mit der Wärme-Regulationsquelle noch
mit der Basis erfolgt. Der Anschluss an die Wö rem Regulations- oder Einstellquelle
erfolgt über
die Basis und muss somit nicht demontiert werden.
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Diese
Ausführungsform,
darauf bezogen, dass sie zumindest in der Theorie den Vorteil eines direkten
thermischen Einwirkens auf die Kokille mit den Vorteilen der Austauschbarkeit
des Einsatzes kombiniert, erweist sich in jedem Fall als perfekt
bezüglich
der Effizienz und der Präzision
der Wärmeregulation,
die sie ermöglicht.
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Aus
der GB-A-2 027 388 ist ein solcher Einsatz bekannt, der kappenförmig ausgeführt ist
und einen Stempel bedeckt, welcher aus einem thermisch weniger leitbaren
Material als das des Einsatzes ausgeführt ist, wobei der Stempel
dazu vorgesehen ist, die Wärme
weniger schnell aus den zentralen Abschnitten der Arbeitsfläche des
Einsatzes abzuführen,
als aus dem äußeren Flächen, wobei
die Wärme vom
Zentrum der Arbeitsfläche über den
Stempel zu einem Wärmeübertragungsblock,
welcher an Basis ausgebildet ist, abgeführt wird.
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Gemäß der Erfindung
wird eine Werkzeugblockhälfte
zum Spritzgießen
eines optischen Elements, wie beispielsweise einer ophthalmischen
Linse aus thermoplastischem Material, vorgeschlagen, umfassend zumindest
einen Formholraum, transversal von der Arbeitsfläche einer Kokille begrenzt,
bereitgestellt mit intrinsisch und ambivalent wirkenden Wärmeübertragungseinrichtungen
(zum Heizen und Kühlen)
wobei die Kokille eine Basis, welche die Gesamtheit der Wärmeübertragungseinrichtung
der Kokille aufnimmt und einen die Arbeitsseite aufweisenden und
bezogen auf die Basis herausnehmbaren Einsatz umfasst, wobei der
Einsatz ohne jede intrinsisch wirkende Wärmeübertragungseinrichtung vorgesehen
ist, und der Einsatz ausschließlich über Wärmeübertragung
mit der Basis thermisch reguliert wird. Der Einsatz, der kappenförmig ist,
bedeckt zumindest einen Kopfabschnitt der Basis und die Wärmeübertragungseinrichtung
der Basis beaufschlagt diesen Kopfabschnitt der Basis, der von dem
Einsatz bedeckt ist.
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Eine
solche Anordnung erlaubt die Effizienz und die Präzision des
thermischen Austauschs zwischen der Wärmeübertragungseinrichtung und
dem Einsatz über
die Basis zu verbessern. Es versteht sich dabei zunächst, dass
die Kappenform des Einsatzes und die Einhausung des Kopfabschnittes
der Basis in diesem Einsatz an sich die Austauschfläche dieses
Einsatzes mit der Basis erhöhen.
Zudem und vor allem in diesem Zusammenhang ergibt die Anordnung
der Wärmeübertragungseinrichtung
am Kopf der Basis, von dem Gesichtspunkt der Effizienz der Wärmeübertragung
her, dass die Wärmeübertragungseinrichtung
in irgend einer Weise „in" dem Einsatzes angeordnet
wird, wobei sich der Kopfabschnitt der Basis allein von den Wärmeübergang/von
der Wärmeübertragung
beaufschlagt ist, in den Kappeneinsatz „eingehüllt" befindet.
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Gemäß einem
vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist die Kokille in einer Ummantelung
aufgenommen, die eine zylindrische Innenfläche aufweist, welche die Vertiefung/den
Hohlraum lateral entsprechend der Arbeitsfläche der Kokille begrenzt, welche selbst
mit intrinsisch und ambivalent wirkenden Wärmeübertragungseinrichtungen/-mitteln
vorgesehen ist. Die Umhüllung
der Kokillen in einer thermisch selbst modulierten Ummantelung erlaubt
die Qualität und
insbesondere die Präzision
der Regulation des Temperaturgradienten der Gussform um den Gusshohlraum
herum und ausgehend von thermoplastischen Material zu verbessern.
Die Ummantelung übt somit
die Funktion einer thermischen Eingurtung aus, die sich gegebenenfalls
zu ihrer mechanischen Führungsfunktion
der beiden Kokillen zueinander hinzufügt, wenn gewünscht ist,
eine Kompression am Ende der Injektion oder des Spritzens auszuführen.
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Es
ist somit vorteilhaft, dass die intrinsisch und ambivalent wirkende
Wärmeübertragungseinrichtung
der Ummantelung unabhängig
von derjenigen der Kokille ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfassen die intrinsisch und ambivalent wirkendem Wärmeübertragungseinrichtungen
der Kokille und der Ummantelung einen internen Kreislauf für die Zirkulation
von Wärmeträgerfluid.
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Andere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der
Beschreibung einer speziellen Ausführungsform die lediglich beispielhaft und
nicht einschränkend
gegeben ist.
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Es
wird im Folgenden Bezug genommen auf die im Anhang dargestellten
Zeichnungen in denen die 1 und 2 partielle
Ansichten der Zone sind, welche den Gusshohlraum einer Gussform
gemäß der Erfindung
beinhaltet, im Schnitt durch eine Ebene, die die Achse des Gusshohlraums
der Gussform jeweils in offener und geschlossener Konfiguration
beinhaltet.
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Mit
Bezug auf die Figuren umfasst eine Gussform gemäß der Erfindung zum Spritzgießen eines
optischen Elements aus thermoplastischem Material, und im Speziellen
einer opthalmischen Linse, zwei Werkzeugblockhälften/Blockhälften 1, 2,
die jede jeweils zumindest einen Formhohlraum 3, 4 von zylindrischer
Kontur um die Achse A besitzen.
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Die
zwei Werkzeugblockhälften 1, 2 sind
bezüglich
zueinander beweglich gemäß beispielsweise einer
Translationsbewegung entlang der Achse A zwischen einer offenen
Konfiguration, welche einen direkten Zugang zu dem Hohlraum 3, 4 freigibt,
und einer geschlossenen Konfiguration, in welcher die zwei Werkzeugblockhälften 1, 2 in
Kontakt mit den Verbindungsflächen 5, 6 entlang
einer transversalen Verbindungsebene, bezeichnet mit J in der 2, sind,
und in denen die Formhohlräume/Vertiefungen 3, 4 sich
ergänzen
um den gewünschten
Gusshohlraum 7 auszubilden.
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In
der Praxis umfasst jede Werkzeugblockhälfte 1, 2 vorzugsweise
mehrere Formhohlräume, wie
beispielsweise 3, 4, und in geschlossener Konfiguration
komplementieren/ergänzen
sich diese Formhohlräume/Vertiefungen
paarweise, um mehrere Gusshohlräume,
wie beispielsweise 7, auszubilden, was das simultane Giessen
von mehreren Linsen mit derselben Gussform erlaubt.
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Jeder
Formhohlraum/Vertiefung 3, 4 ist transversal von
einer Arbeitsfläche 9, 10 einer
Kokille 11, 12 begrenzt. In dem in den Figuren
dargestellten Beispiel ist die Arbeitsfläche 9 der oberen Kokille 11 konkav
und die Arbeitsfläche 10 der
unteren Kokille 12 ist konvex.
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Jede
Kokille 11, 12 ist in einer röhrenförmigen Ummantelung 13, 14 entlang
der Achse A aufgenommen, welche eine zylindrische Innenfläche 15, 16 entlang
der Achse A aufweist, welche den Formhohlraum/die Vertiefung 3, 4 lateral
begrenzt, in dem sie die Arbeitsfläche 9, 10 der
Kokille 11, 12 ergänzt beziehungsweise vervollständigt. Die
Flächen 9, 10, 15, 16 formen
somit die Wände
des Formhohlraums 3, 4 und somit des Gussholraums 7.
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Jede
Kokille 11, 12 und die Ummantelung 13, 14,
die diesen zugeordnet ist, sind mit intrinsisch und ambivalent wirkenden
Wärmeübertragungseinrichtungen
vorgesehen. Unter „ambivalent
wirkend" versteht
sich eine Einrichtung, die dazu geeignet ist, sowohl das Erwärmen als
auch das Kühlen
der Kokille 11, 12 und ihrer Ummantelung 13, 14 zu
gewährleisten.
Unter „intrinsisch
wirkend" versteht
sich eine Einrichtung die nicht von außen kommt/von außen angebracht
ist, sondern die direkt, in ihrer Anordnung auf jede Kokille 11, 12 und
jede Ummantelung 13, 14 wirkt.
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Genauer
gesagt sind bei dieser Art die intrinsisch und ambivalent wirkenden
Wärmeübertragungseinrichtungen/-mittel
der Kokille 11, 12 und der Ummantelung 13, 14 in
der Form von internen Kreisläufen
eines Wärmeträgerfluids
ausgeführt.
Man unterscheidet somit einen Kreislauf 17, 18 für jede Kokille 11,12 und
einen Kreislauf 19, 20 für jede Ummantelung 13, 14.
Diese Ausführungsform
versteht sich als nicht einschränkend;
man könnte
beispielsweise Widerstände,
interne Kreisläufe
zur Zirkulation eines Gases, Konvektionseinrichtungen etc. vorsehen.
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Zudem,
wie auch immer deren Ausführungsform
aussehen mag, könnten
die intrinsisch und ambivalent wirkenden Wärmeübertragungsmittel/-einrichtungen
der Ummantelung 13, 14, d.h. in dieser speziellen
Ausführungsform
die Kreisläufe 19, 20, vorteilhafter
weise unabhängig
von denen 17, 18 der Kokille 11, 12 sein.
Diese Unabhängigkeit
erlaubt eine feinere Regulation des Gradienten nicht nur über die
Temperatur sondern auch in dem Raum um den Gusshohlaum/die Gusskavität 7,
der Temperatur der Innenwand des Gusshohlraums 7, ausgebildet durch
die Arbeitsflächen 9, 10 der
Kokillen 11, 12 und durch die Innenflächen 15, 16 der
Ummantelungen 13, 14 in geschlossener Konfiguration
der Gussform.
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Jede
Kokille 11, 12 umfasst zwei Abschnitte:
- • eine
Basis 21, 22 und
- • einen
bezüglich
der Basis 21, 22 herausnehmbaren Einsatz 23, 24,
welcher die Arbeitsfläche 9, 10 trägt.
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Die
Basis 21, 22 nimmt die Gesamtheit der Wärmeübertragungsmittel/-einrichtungen
der Kokille 11, 12 auf, d.h. die Gesamtheit des
Kreislaufs 17, 18. Der Einsatz 23, 24 ist
somit mit allen intrinsisch wirkenden Wärmeübertragungseinrichtungen vorgesehen
und ist somit thermisch ausschließlich über Wärmeübertragung mit der Basis 21, 22 reguliert.
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Jeder
Einsatz 23; 24 weist eine kappenförmige Form
auf und bedeckt aufgrund dieser Form einen Abschnitt des Kopfes 25, 26 der
Basis 21, 22, ausschließlich des Fußabschnittes
dieser Basis.
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Die
Wärmeübertragungseinrichtung
der Basis, welche den Kreislauf 17, 18 umfasst,
wirken auf den Kopfabschnitt 25, 26 der Basis,
die von dem kappenförmigen
Einsatz 23, 24 bedeckt ist.
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In
dem dargestellten Beispiel umfasst die Basis 21, 22 zwei
Abschnitte: einen Sockel 27, 28 und eine Abdeckung
oder einen Überzug 29, 30,
welcher einen Kopfabschnitt 31, 32 von bezüglich des
Sockels 27, 28 reduzierten Durchmesser bedeckt.
Dieser Kopfabschnitt 31, 32 weist an seinem Ende
eine Abweichung 33, 34 auf die mit der Abdeckung 29, 30 den
Kreislauf 17, 18 der Wärmeträgerfluidzirkulation von Ringform
um die Achse A, definieren.
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Ein
Versorgungskanal 39, 40 ist in dem Sockel 27, 28 entlang
der Achse A angeordnet. Dieser Kanal mündet in den ringförmigen Kreislauf 17, 18 und
weist einen Eingang 41, 42 auf, der dazu geeignet
ist, einen Anschluss (nicht dargestellt) aufzunehmen, welcher das
Ende eines Versorgungskreislaufes (nicht dargestellt) mit kalten
oder warmen Fluid ausstattet. Ebenso ist ein Rücklaufkanal (nicht sichtbar)
in dem Sockel 27, 28 angeordnet um das Abführen des
Fluids nach dem Wäremeaustausch
zu ermöglichen.
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Die
Ummantelung 13, 14 weist eine ringförmige Einkerbung 35, 36 auf,
die als Vertiefung einer externen um die Achse A zylindrischen Fläche der Ummantelung 13, 14 ausgeführt ist.
Diese Einkerbung ist von einer rohrförmigen Abdeckung 37, 38 geschlossen,
welche an der Außenfläche der
Ummantelung 13, 14 angebracht ist, um den Kreislauf 19, 20 der
Wärmeübertragungsfluidzirkulation
ringförmig
um die Achse A auszubilden.