EP0195313B1 - Vorrichtung zum Verfüllen von evakuierten Hohlräumen in Material bzw. in Körpern - Google Patents

Vorrichtung zum Verfüllen von evakuierten Hohlräumen in Material bzw. in Körpern Download PDF

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EP0195313B1
EP0195313B1 EP86102898A EP86102898A EP0195313B1 EP 0195313 B1 EP0195313 B1 EP 0195313B1 EP 86102898 A EP86102898 A EP 86102898A EP 86102898 A EP86102898 A EP 86102898A EP 0195313 B1 EP0195313 B1 EP 0195313B1
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EP
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chamber
opening
cavities
filling
flow
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Hans Dipl.-Phys. Hellebrand
Irene Dr. Chem. Rossner
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D13/00—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force
    • B22D13/06—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force of solid or hollow bodies in moulds rotating around an axis arranged outside the mould

Definitions

  • the present invention relates to a device according to the preamble of claim 1.
  • Devices according to the preamble of claim 1 are used to fill cavities with z. B. liquid metal, e.g. B. lead, with impregnation, z. B. synthetic resin, or the like.
  • Such cavities can open pores in layers such as. B. electrode layers, made of porous material.
  • Cavities that come into question here can also be cavities present in bodies, for example in the manner of caverns, as they are found, for. B. in the production of multilayer ceramic capacitors (US-A-3 679 950, US-A-3 965 552 and US-A-4 030 004) or in multilayer wiring in ceramic substrate plates in the respective manufacturing process.
  • the pores and the cavities present in bodies are those which are open to the outside, namely in order to be able to fill them with the liquid substance in a preferably evacuated environment.
  • Linn Elektronik, D 8459 Hirschbach manufactures devices with which test samples can be produced in the manner of a centrifugal casting. It is a device with a crucible for melting metal contained therein (from which the samples are to be cast) and with the casting mold. The crucible is arranged eccentrically in the centrifugal device, so that the liquid substance contained in the crucible rises on its somewhat obliquely directed wall during rotation and, when a sufficient degree of centrifugal force is reached, reaches an outflow opening adjoining the crucible.
  • the molten material flows out of the crucible through this outflow opening into a casting mold arranged with greater eccentricity to the centrifugal axis.
  • the liquid substance introduced under centrifugal pressure remains in this mold until it has changed to a solid state. As is customary for centrifugal casting, this creates a relatively dense structure of the cast body.
  • a centrifuge for separating cytological material from a suspension is known from US Pat. No. 4,192,250.
  • the deposition takes place on the surface of a substrate, which is located in the centrifuge.
  • the centrifuge chamber has an opening parallel to the axis of rotation, which has a conical widening. As a result of this axial alignment and the expansion, no further material can be introduced into the centrifuge chamber during the spin operation.
  • the centrifuge chamber has a radially outward drainage channel with a controllable valve. This channel must be shut off by means of this valve. Only when the valve is open does an amount of liquid experimentally limited by the flow resistance flow out.
  • This centrifuge also has a central storage container, the two channels of which lead radially away from the floor into an annular channel. This ring channel runs radially outside the centrifuge chambers. Via these channels, a liquid, e.g. B. bring a fixative into the centrifuge chamber and remove it in the opposite direction. Any outflow of suspension and liquid coming from the central container from the centrifuge chamber is determined by opening the valve.
  • a liquid e.g. B.
  • the object of the present invention is to provide measures for a device for filling cavities in bodies according to the introduction to the description with the aid of features of the principle of centrifugal casting, an optimal degree of filling of such cavities being achievable with the help of a special configuration of these measures.
  • the present invention is based on the idea of which in centrifugal casting and vacuum filling of cavities of z.
  • multilayer capacitors and multilayer wiring always apply the principle, namely to provide a sack-like space for the casting mold or for the chamber in which the filling has to take place.
  • the chamber in which the filling of the cavities of the material introduced therein or the body introduced therein is to be carried out has, in addition to the usual inlet opening for a mold, also at least one outlet opening, specifically for the liquid substance.
  • This one or, together, these several drain openings additionally form a flow restrictor, for which a predeterminable flow resistance can also be selected.
  • the invention is based on a principle, according to which the liquid substance, for. B. the molten metal to be fed into the chamber. As soon as the chamber is filled, a portion of the supplied material flows out through the discharge opening designed as a flow restrictor. This outflow is important and, according to the invention, dimensioned such that a hydrostatic back pressure, which causes the filling, forms in the chamber in which the substance to be filled or the body to be filled is present.
  • the chamber and thus are to be filled Cavities in the material or body are evacuated. It should also be pointed out that a plurality of bodies (provided with cavities to be filled) can be arranged in the chamber for simultaneous filling.
  • An essential peculiarity of the invention is that at the end of the period provided for the filling, the excess supply of liquid substance supplied in the chamber flows out through the drain opening. Finally, since the liquid substance has only been supplied more or less in a pulsed manner, there is essentially only material or body filled with the (liquid) substance in the chamber, which is then removed from the chamber.
  • the figure shows the part of the device relevant to the present invention.
  • 2 denotes the axis of rotation of the spinner.
  • the crucible 3 with its heater 4 is attached eccentrically to this centrifugal axis 2.
  • 5 denotes liquid substance contained in the crucible, in the state in which this molten substance has just risen into the outlet opening of the crucible, designated 6, as a result of the centrifugal force.
  • This molten substance 5 reaches a part 11 of the device in which a chamber 12 is located.
  • the chamber 12 is, for example, a hole in the part 11.
  • the inlet opening of the chamber 12, designated as the first opening is identified. It has the first cross section mentioned.
  • the figure basically shows two stages that only follow one another in time, namely the time at which the liquid substance 5 passes from the crucible 3 into the chamber 12 and the liquid substance which is only subsequently located in the chamber 12 and is now designated by 20.
  • the liquid substance 20 After a further period of time, practically all of the liquid substance 20 still in the chamber 12 has flowed out of the chamber 12 through the outflow opening 16.
  • the effective hydrostatic pressure has steadily decreased to a value of 0 from a maximum value at the time of the maximum filling of the chamber 12 with the liquid substance 20 until it runs out again.
  • measures known per se which are described in more detail below, however, liquid substance which has penetrated into the cavities of the body 15 remains therein and solidifies with subsequent cooling.
  • the outflow opening 16 results in a diameter of the outflow opening 16 of 0.2, 0.3 and 0.4 mm, a time period of 24 and 4.8 and of 1.5 sec. for the period from the entry of the liquid substance 5 into the chamber 12, ie from the beginning of the outflow from the chamber 12 to the complete outflow of the liquid substance 20 present in the chamber 12 (and not taken up in the cavities).
  • a distance of 250 mm from the inlet opening of the outlet opening 16 from the centrifugal axis 2, a diameter of 20 mm of the chamber 12 and a (maximum) filling "height" of 50 mm for the liquid substance 20 in the chamber 12 is the basis.
  • the maximum pressure (occurring at the inlet opening of the outflow opening) in the liquid substance 20 reaches a value of up to about 25 bar.
  • the device according to the invention can be used, inter alia, to produce multilayer ceramic capacitors, that is to say to fill their cavities initially provided and present in the sintered ceramic body for the electrodes with metal.
  • the above-mentioned US-A-3 679 950, US-A-3 965 552 and US-A-4 030 004 each show in particular with FIG. 1 such a ceramic capacitor.
  • the provided cavities necessarily have existing openings with a plug-type material in such a way that there is a passage for the entry of the liquid substance intended for the filling. It should be noted that the backfilling takes place under the pressure of the centrifugal force.
  • this sealing material has such narrow passage pores that liquid substance which has penetrated into the cavities does not come out again through the passages of this stopper when, in the final phase of the operation of the device according to the invention, essentially all liquid substance - except that which is in the chamber 12 body is contained - has flowed out of the chamber 12 through the passage opening 16.
  • the electrodes 17 and 19 act as such a sealing material.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Vorrichtungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 werden dazu verwendet, Hohlräume mit z. B. flüssigem Metall, z. B. Blei, mit Imprägnierung, z. B. Kunstharz, oder dgl. zu verfüllen. Solche Hohlräume können offene Poren in beispielsweise Schichten, wie z. B. Elektrodenschichten, aus porigem Material sein. Hier in Frage kommende Hohlräume können aber auch in Körpern vorhandene Hohlräume, etwa nach Art von Kavernen, sein, wie sie z. B. bei der Herstellung von Vielschicht-Keramikkondensatoren (US-A-3 679 950, US-A-3 965 552 und US-A-4 030 004) oder bei Mehrlagenverdrahtungen in Keramiksubstratplatten im jeweiligen Herstellungsgang erzeugt werden. Bei den Poren und den in Körpern vorhandenen Hohlräumen handelt es sich um solche, die nach außen offen sind, nämlich um diese in vorzugsweise evakuierter Umgebung mit dem flüssigen Stoff verfüllen zu können.
  • Von der Fa. Linn Elektronik, D 8459 Hirschbach, (siehe Prospekt Nr. 02/85-2/2000 -Schleuderarm-Vacuumausführung) werden Vorrichtungen hergestellt, mit denen nach Art eines Schleudergusses Untersuchungsproben hergestellt werden können. Es handelt sich dabei um eine Vorrichtung mit einem Tiegel zum Schmelzen darin enthaltenen Metalles (aus dem die Proben zu gießen sind) und mit der Gußform. In der Schleudervorrichtung ist der Schmelztiegel exzentrisch angeordnet, so daß bei Rotation der im Tiegel enthaltene flüssige Stoff an dessen etwas schräg gerichteter Wand aufsteigt und bei Erreichen eines ausreichenden Maßes der Fliehkraft eine sich an den Schmelztiegel anschließende Ausflußöffnung erreicht. Aus dem Tiegel durch diese Ausflußöffnung heraus fließt der schmelzflüssige Stoff in eine mit größerer Exzentrizität zur Schleuderachse angeordnete Gußform. In dieser Gußform verbleibt der unter Schleuderdruck eingebrachte flüssige Stoff bis er in festen Zustand übergegangen ist. Wie für Schleuderguß üblich, wird damit ein relativ dichtes Gefüge des gegossenen Körpers erzeugt.
  • Aus der US-A-4192 250 ist eine Zentrifuge zur Abscheidung cytologischen Materials aus einer Suspension bekannt. Die Abscheidung erfolgt auf der Oberfläche eines Substrats, das sich in der Zentrifuge befindet. Zum Einfüllen der Suspension in die Zentrifuge besitzt deren Zentrifugenkammer eine parallel zur Drehachse gerichtete Öffnung, die eine konische Aufweitung aufweist. Durch diese axiale Ausrichtung und die Aufweitung kann während des Schleuderbetriebes kein weiteres Material in die Zentrifugenkammer eingeführt werden. Die Zentrifugenkammer besitzt einen radial nach außen gerichteten Drainagekanal mit einem steuerbaren Ventil. Mittels dieses Ventils ist dieser Kanal abzusperren. Erst bei geöffnetem Ventil fließt eine durch den Durchflußwiderstand experimentell begrenzte Flüssigkeitsmenge aus.
  • Diese Zentrifuge besitzt außerdem einen zentralen Vorratsbehälter, dessen zwei in Bodenhöhe radial wegführende Kanäle in einen Ringkanal münden. Dieser Ringkanal verläuft radial außerhalb der Zentrifugenkammern. Über diese Kanäle läßt sich aus dem zentralen Behälter, und zwar der Schleuderkraft entgegengerichtet, eine Flüssigkeit, z. B. ein Fixativ, in die Zentrifugenkammer einbringen und in dazu entgegengesetzter Richtung wieder entfernen. Jeglicher aus der Zentrifugenkammer erfolgender Abfluß von Suspension und von aus dem zentralen Behälter stammender Flüssigkeit wird durch das Öffnen des Ventils bestimmt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mit Hilfe von Merkmalen des Prinzips des Schleudergusses Maßnahmen für eine Vorrichtung zum Verfüllen von Hohlräumen in Körpern entsprechend der obigen Beschreibungseinleitung anzugeben, wobei mit Hilfe spezieller Ausgestaltung dieser Maßnahmen ein optimaler Grad des Verfüllens solcher Hohlräume zu erreichen ist.
  • Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, von dem gleichermaßen bei Schleuderguß und beim Vakuum-Verfüllen von Hohlräumen von z. B. Vielschichtkondensatoren und Mehrschichtverdrahtungen stets angewendeten Prinzip abzugehen, nämlich für die Gußform bzw. für die Kammer, in der das Verfüllen zu erfolgen hat, einen sackartigen Raum vorzusehen.
  • Bei der Erfindung hat die Kammer, in der das Verfüllen der Hohlräume des dort eingebrachten Materials bzw. der dort eingebrachten Körper durchzuführen ist, außer der für eine Gußform üblichen Zuflußöffnung außerdem auch noch wenigstens eine Abflußöffnung, und zwar für den flüssigen Stoff. Diese eine oder zusammengenommen diese mehreren Abflußöffnungen bilden zusätzlich eine Strömungsdrossel, für die außerdem ein vorgebbarer Strömungswiderstand gewählt werden kann. Der Erfindung liegt ein Prinzip zugrunde, dem gemäß durch eine erste Einlaßöffnung im wesentlichen schlagartig der flüssige Stoff, z. B. das schmelzflüssige Metall, in die Kammer zuzuführen ist. Schon mit dem Auffüllen der Kammer einsetzend fließt ein Anteil des zugeführten Stoffes durch die als Strömungsdrossel ausgebildete Abflußöffnung aus. Dieser Ausfluß ist wichtig und erfindungsgemäß so bemessen, daß für einen vorgebbaren Zeitraum in der Kammer, in der der zu verfüllende Stoff bzw. der zu verfüllende Körper vorhanden ist, sich ein hydrostatisch wirkender Staudruck ausbildet, der das Verfüllen bewirkt.
  • Wie bei derartigem Verfüllen üblich, wird die Kammer und sind damit die zu verfüllenden Hohlräume des Materials bzw. der Körper evakuiert. Es sei weiter darauf hingewiesen, daß in der Kammer eine Vielzahl (mit zu verfüllenden Hohlräumen versehene) Körper zum gleichzeitigen Verfüllen angeordnet sein können.
  • Eine wesentliche Besonderheit der Erfindung ist, daß am Ende des für das Verfüllen vorgesehenen Zeitraumes der in der Kammer vorliegende überschüssige Vorrat an zugeführtem flüssigen Stoff durch die Abflußöffnung abfließt. Da der flüssige Stoff nur mehr oder weniger impulsartig zugeführt worden ist, befinden sich schließlich in der Kammer im wesentlichen nur noch aufgabengemäß mit dem (flüssigen) Stoff verfülltes Material bzw. verfüllte Körper, das bzw. die dann der Kammer entnommen werden.
  • Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels hervor.
  • Die Figur zeigt den für die vorliegende Erfindung relevanten Teil der Vorrichtung.
  • In der Figur ist mit 2 die Rotationsachse der Schleudervorrichtung bezeichnet. Exzentrisch zu dieser Schleuderachse 2 ist der Schmelztiegel 3 mit seiner Heizung 4 angebracht. Mit 5 ist in dem Schmelztiegel enthaltener flüssiger Stoff bezeichnet und zwar in dem Zustand, in dem dieser schmelzflüssige Stoff gerade in die mit 6 bezeichnete Austrittsöffnung des Schmelztiegels infolge der Schleuderkraft hochgestiegen ist. Dieser schmelzflüssige Stoff 5 gelangt in ein Teil 11 der Vorrichtung, in dem sich eine Kammer 12 befindet. Die Kammer 12 ist beispielsweise eine in dem Teil 11 vorhandene Bohrung. Mit Hilfe einer Heizung 13 kann der Innenraum der Kammer 12 beheizt werden. Mit dem Doppelpfeil 14 ist die als erste Öffnung bezeichnete Einlaßöffnung der Kammer 12 gekennzeichnet. Sie hat den erwähnten ersten Querschnitt.
  • Mit 15 sind in die Kammer 12 eingebrachte Körper bezeichnet, deren Hohlräume zu verfüllen sind.
  • Mit 16 ist die als Strömungsdrossel ausgebildete Ausflußöffnung der Kammer 12 bezeichnet. Ihre Länge L ist so lang und ihr mit 17 angedeuteter Querschnitt ist so eng bemessen, daß durch den Einlaßquerschnitt 14 mehr oder wenig schlagartig in die Kammer 12 eingetretener flüssiger Stoff 20 nur stark verzögert durch die Auslaßöffnung 16 hindurch abfließen kann. Mit 18 ist ein Auffangraum für durch die Öffnung 16 hindurchgelangter flüssiger Stoff bezeichnet.
  • Infolge der Drosselwirkung in der Ausflußöffnung 16 entsteht innerhalb des mit 20 angedeuteten, in der Kammer 12 unter der Schleuderkraft stehenden flüssigen Stoffes ein hydrostatischer, d.h. allseitig wirkender Druck innerhalb der Kammer 12 und im Bereich der darin befindlichen Körper 15, die unter diesem Druck mit dem flüssigen Stoff verfüllt werden. Innerhalb des in der Kammer 12 befindlichen flüssigen Stoffes 20 nimmt dieser Druck abhängig vom Abstand von der Schleuderachse 2 zu.
  • Die Figur zeigt insofern im Grunde genommen zwei erst zeitlich aufeinanderfolgende Stadien, nämlich den Zeitpunkt des Übertrittes des flüssigen Stoffes 5 aus dem Tiegel 3 in die Kammer 12 hinein und den erst nachfolgend in der Kammer 12 befindlichen flüssigen, jetzt mit 20 bezeichneten Stoff. Nach noch weiterem Zeitablauf ist praktisch aller noch in der Kammer 12 befindlicher flüssiger Stoff 20 aus der Kammer 12 durch die Ausflußöffnung 16 hindurch abgeflossen. Der wirksame hydrostatische Druck hat dabei während des ganzen Zeitablaufes von einem Maximalwert zum Zeitpunkt des maximalen Auffüllens der Kammer 12 mit dem flüssigen Stoff 20 bis zum Wiederauslaufen stetig auf den Wert 0 abgenommen. Durch noch nachfolgend näher beschriebene, an sich bekannte Maßnahmen bleibt jedoch in die Hohlräume der Körper 15 eingedrungener flüssiger Stoff in diesem enthalten und erstarrt mit nachfolgender Abkühlung.
  • Der Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellt ist der Vorrichtungsteil, mit dem das Innere der Kammer 12 und damit auch der Hohlräume der Körper 15 sowie auch das Innere des Tiegels 3 und des Raumes 18 zu evakuieren ist. Entsprechende hierfür erforderliche Abdichtungen sind ebenfalls nicht im einzelnen darstellungsmäßig ausgeführt.
  • Zum Beispiel für Kupfer als flüssiger Stoff 5, 20 ergeben sich bei einer Kanallänge L = 20 mm der Ausflußöffnung 16 für Durchmesser der Ausflußöffnung 16 von 0,2, von 0,3 und von 0,4 mm Zeitdauern von 24, von 4,8 und von 1,5 sec. für den Zeitraum vom Eintreten des flüssigen Stoffes 5 in die Kammer 12, d.h. vom Beginn des Ausfließens aus der Kammer 12, bis zum vollendeten Ausfluß des in der Kammer 12 vorhandenen (und nicht in den Hohlräumen aufgenommenen) flüssigen Stoffes 20. Dabei sind eine Umdrehungszahl von 1500 Umdrehungen pro min. (bzw. RPM), ein Abstand von 250 mm der Eintrittsöffnung der Ausflußöffnung 16 von der Schleuderachse 2, ein Durchmesser von 20 mm der Kammer 12 und eine (maximale) Füll-"Höhe" von 50 mm für den flüssigen Stoff 20 in der Kammer 12 zugrundegelegt. Der maximale (an der Eintrittsöffnung der Ausflußöffnung) auftretende Druck im flüssigen Stoff 20 erreicht dabei einen Wert bis zu etwa 25 bar.
  • Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich unter anderem Vielschicht-Keramikkondensatoren herstellen, d.h. deren im gesinterten Keramikkörper zunächst für die Elektroden vorgesehenen und vorhandenen Hohlräume mit Metall verfüllen. Die obengenannten US-A-3 679 950, US-A-3 965 552 und US-A-4 030 004 zeigen insbesondere mit jeweils Figur 1 einen derartigen Keramikkondensator. Für einen solchen Keramikkondensator und auch für Fälle vergleichbar bemessener Hohlräume in einem Körper ist es zumindest von Vorteil, die für das Verfüllen der vorgesehenen Hohlräume notwendigerweise vorhandenen Öffnungen mit einem Material nach Art eines Stopfens in der Weise "verschlossen" zu haben, daß ein Durchgang für das Eintreten des für das Verfüllen vorgesehenen flüssigen Stoffes vorliegt. Dabei ist zu berücksichtigen, daß das Verfüllen unter dem Druck der Schleuderkraft abläuft. Jedoch hat dieses Verschlußmaterial so enge Durchgangsporen, daß einmal in die Hohlräume eingedrungener flüssiger Stoff durch die Durchgänge dieses Stopfens dann nicht wieder heraustritt, wenn in der Endphase des Betriebs der erfindungsgemäßen Vorrichtung im wesentlichen aller flüssiger Stoff -außer demjenigen, der in dem in der Kammer 12 befindlichen Körper enthalten ist- aus der Kammer 12 durch die Durchlaßöffnung 16 hindurch abgeflossen ist. Dies stellt für den Fachmann kein Problem dar, da hierfür die aus den obengenannten Druckschriften bekannten Maßnahmen anwendbar sind. Bei den Keramikkondensatoren nach den obengenannten US-Patentschriften wirken die Elektroden 17 und 19 als derartiges Verschlußmaterial.

Claims (1)

  1. Vorrichtung zum Verfüllen von in Körpern vorhandenen, nach außen offenen Hohlräumen mit einem zunächst flüssigen Stoff, den man nachfolgend in einen festen Zustand übergehen läßt, mit einer Zentrifuge, mit deren Hilfe der Stoff unter allseitig einwirkendem, auf dem Schleudern beruhenden Druck in die Hohlräume eingepreßt wird,
    gekennzeichnet dadurch,
    - daß in der Zentrifuge exzentrisch angeordnet eine Kammer (12) zur Aufnahme der Körper (15) bzw. des Materials vorgesehen ist, die, bezogen auf die Lage der Kammer zur Schleuderachse, eine der Schleuderachse zugewandte erste Öffnung und eine der Schleuderachse abgewandte zweite Öffnung besitzt,
    - wobei die erste Öffnung als Zuflußöffnung einen ersten Querschnitt (14) und
    - die zweite Öffnung als Abflußöffnung für überschüssigen Anteil des flüssigen Stoffes als Strömungsdrossel (16) ausgebildet einen zweiten Querschnitt (17) und eine Länge (L) besitzt,
    - wobei der erste Querschnitt (14) so bemessen ist, daß er die zu einem vorgegebenen Zeitpunkt in die Kammer (12) zuzuführende Menge des flüssigen Stoffes (20) im wesentlichen ohne Zeitverzögerung durch diesen ersten Querschnitt (14) hindurchtreten läßt und
    - wobei der zweite Querschnitt (17) und/oder die Länge (L) der Strömungsdrossel (16) vorgebbar derart eng bzw. lang bemessen sind, daß im Betrieb durch den während des Hindurchfließens von Anteil des flüssigen Stoffes in der Strömungsdrossel (16) auftretenden Strömungswiderstand in der Kammer (12) sich ein dementsprechend vorgegebener Staudruck innerhalb des darin enthaltenen flüssigen Stoffes (20) für einen vorgebbaren Zeitraum bildet, innerhalb dessen durch den Staudruck die Hohlräume verfüllt werden.
EP86102898A 1985-03-18 1986-03-05 Vorrichtung zum Verfüllen von evakuierten Hohlräumen in Material bzw. in Körpern Expired EP0195313B1 (de)

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