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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen mehrerer wärmeerzeugender
Komponenten, insbesondere der elektrischen Komponenten einer Spritzgiessmaschine
mit einem sekundären Kreislauf, bestehend aus einem Tank,
einer Pumpe, den Wärmequellen sowie einem Wärmetauscher,
ferner einem primären Kühlkreis, mittels dem das
Kühlmedium des sekundären Kreislaufes gekühlt
wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Kühlsystem mit
mehreren wärmeerzeugenden Komponenten, insbesondere elektrischen
Komponenten einer Spritzgiessmaschine, mit einem sekundären
Kreislauf, bestehend aus einem Tank, einer Pumpe, den Wärmequellen
sowie einem Wärmetauscher, ferner einem primären
Kühlkreis, mittels dem das Kühlmedium des sekundären Kreislaufes
kühlbar ist.
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Spritzgiessmaschinen
unterscheiden sich in mehreren Aspekten von anderen industriellen
Verarbeitungsmaschinen. Dabei ist ein zentrales Charakteristikum
bei Spritzgiessmaschinen der Spritzzyklus. Ein Spritzzyklus wird
als ein Ablauf verstanden, welcher alle Schritte des Spritzvorgangs
enthält, die notwendig sind, um ein Spritzteil und bei
Vielfachwerkzeugen eine Anzahl Spritzteile entsprechend den Formnestern
eines Spritzwerkzeuges zu produzieren. Der Spritzzyklus umfasst
vom Zeitpunkt des Formschliessens die Einspritzung der Schmelze
in die Formnester, eine Phase der Druck- und Nachdruckerzeugung,
die Abkühlung der Spritzteile, das Öffnen der
Formen und das Entnehmen der zumindest teilweise formverfestigten
Spritzteile sowie das Wiederverschliessen der offenen Formhälften.
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Die
Dauer eines ganzen Spritzzyklus ist sehr unterschiedlich und im
Extremfall im Bereich einer Sekunde, beispielsweise für
die Herstellung von dünnen Platten, wie CD's oder im Bereich
von 8 bis 20 Sekunden im Falle von Preformen oder bis zu einer halben
Minute bei grossen Spritzkörpern. Die Temperatur der heissen
Schmelze kann in der Einspritzphase, beispielsweise im Bereich von
180°C bis zu 400°C liegen. In den Spritzwerkzeugen
müssen die Spritzteile sehr intensiv abgekühlt
werden, vor allem damit die Spritzteile eine genügende
Formfestigkeit bekommen, sodass sie ohne Schaden aus den Formen
ausgestossen und abgeworfen oder mittels Entnahmerobotern einem
nachfolgenden Kühler ausserhalb der Spritzformen übergeben
werden können, bis sie eine Lager- bzw. Transportfestigkeit
erreichen. Mechanisch betrachtet benötigt der ganze Vorgang je
spezifische Baugruppen:
- • einen Formschluss
mit Antrieb,
- • einen Antrieb, sowohl für eine Rotationsbewegung
wie auch eine Linearbewegung der Einspritzschnecke für
die Schmelze,
- • ein ganzes Spritzaggregat mit Antrieb für
eine Zu- und Wegstellung der Spritzdüse an die Spritzform,
- • für viele Anwendungsfälle eine
Formhöhenverstellung,
- • ferner eine Ausstossereinrichtung für das
Ausstossen der Spritzteile aus der einen der Formhälften
- • und allenfalls weitere Hilfsvorrichtungen, wie z. B.
Entnahmeroboter.
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Die
neue Erfindung richtet sich insbesondere an elektrisch angetriebene,
allenfalls an Hybridmaschinen mit sowohl hydraulischen wie auch
elektrischen Antrieben.
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Das
zentrale Problem bei elektrischen Antrieben liegt darin, dass jeder
Antriebsmotor innerhalb eines Spritzzyklus nur über sehr
kurze Zeit, in der Regel nur über Sekunden oder sogar Bruchteile von
Sekunden, eine Höchstleistung abgeben muss und in dieser
Zeit maximal erwärmt wird. Diese Wärme muss über
entsprechende Kühleinrichtungen abgeführt werden.
Im Stand der Technik kennt man verschiedene Lösungen.
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An
ein Kühlsystem werden vor allem drei Anforderungen gestellt:
- 1. Mit der Kühlung soll primär
eine Überhitzung der Motoren wie der Gleichrichter verhindert
werden, bzw. es soll eine bestimmte Temperatur nicht überschritten
werden.
- 2. Mit der Kühlung soll vermieden werden, dass die
Aussentemperatur der von dem Kühlmedium beaufschlagten
Bauteile nicht unter den Bereich von 25°C fällt
bzw. dass in keiner Situation Kondensationsprobleme an den äusseren
Bauteilen auftreten.
- 3. Mit der Kühlung sollen die Antriebselemente, gleicherweise
wie Umrichter, innerhalb einer optimalen Temperaturbandbreite gehalten
werden. Dies im Hinblick auf eine lange Lebensdauer wie auch auf
optimale Wirkungsgrade der Komponenten.
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Im
jüngeren Stand der Technik hat sich ein generelles Kühlkonzept
durchgesetzt, welches mit zwei Kühlkreisen arbeitet:
- • einem geschlossenen Sekundärkreislauf
mit einem Kältemittel. Dieser umfasst ein Reservoir, eine
Pumpe, einen Wärmetauscher sowie die am Kühlkreis
angeschlossenen Wärmeerzeuger, wie Elektromotoren und Umrichter,
- • ferner einem Primärkühlkreis, bei
dem als Kühlmittel meistens Kühlwasser verwendet
wird. Mit dem primären Kühlkreis wird, so weit
notwendig, die Wärme des Wärmetauschers abgeführt.
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Für
den Sekundärkühlkreislauf kann mit vorgegebenem
Kühlmitteldurchsatz oder aber über die Steuerung
der Liefermenge der Pumpe bedarfsangepasst die erforderliche Kühlleistung
sichergestellt werden. Der Primärkühlkreis wird
auf eine optimale Temperatur des Mediums im Sekundärkreislauf
geregelt.
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Eine
der am meisten verbreiteten Lösungen für das Problem
ist in der
EP 756 809 dargestellt.
Die Praxis zeigt, dass damit eine Temperaturregelung von sehr hoher
Stabilität und Sicherheit erreicht wird. Die
EP 756 809 schlägt einen ersten
sowie einen zweiten Flüssigkeitsmittelkreislauf vor, ferner
einen Flüssigkeitskühlmittel-verteiler sowie einen
Wärmetauscher. Mit dem Flüssigkeitskühlmittelverteiler
wird die Verbindung zwischen dem Vorratsbehälter sowie den
jeweiligen Einlässen der ersten und zweiten Kühlmittelkreisläufe
hergestellt. Der Wärmetauscher wird mit den jeweiligen
Kühlmittelauslässen den ersten und zweiten Kühlmittelkreisläufen
angeordnet. Mit einer Flüssigkeitskühlmittel-Rückführleitung
wird das Kühlmedium von dem Wärmetauscher zum
Vorratsbehälter geleitet. Die Pumpe wird im Vorlauf nach dem
Vorratsbehälter und vor dem Flüssigkeitskühlmittelverteiler
angeordnet.
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Der
Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass im Tank eine Mischung
aller Kreisläufe stattfindet. Bei Erkennen einer Abweichung
der Tanktemperatur wird eine Aktivierung der Kühlung in
die Wege geleitet. Die Tanktemperatur wird auf einen Temperatur-Soll-Wert
geregelt. Ein Nachteil dieser Lösung liegt darin, dass
eine Abkühlung des Tankinhaltes durch Konvektion über
die Tankoberfläche regeltechnisch nicht genügend
berücksichtigt wird.
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Der
Erfindung wurde nun die Aufgabe gestellt, nach Lösungen
zu suchen, bei welchen das Verhalten des Tankes, insbesondere durch
die Abkühlung über Konvektion der Tankoberfläche,
mitberücksichtigt wird und eine Regelung der Kühlung
des sekundären Kühlkreislaufes vom Spritzzyklus
abgekoppelt ist.
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Das
erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,
dass das Kühlmedium des sekundären Kreislaufes
im Vorlauf zwischen dem Tank und den Wärmequellen durch
den primären Kühlkreis gekühlt wird.
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Das
erfindungsgemässe Kühlsystem ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Wärmetauscher des sekundären Kreislaufes
im Vorlauf zwischen dem Tank und den Wärmequellen angeordnet
ist.
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Von
den Erfindern ist erkannt worden, dass im Stand der Technik der
Wärmetauscher nur aufgrund eines Vorurteils nicht im Vorlauf
angeordnet wurde. Die klassische Regeltechnik lehrt, dass eine Lösung
mit einer Vielzahl von Messpunkten einer Lösung mit einer
nur punktuellen Messwerterfassung immer überlegen ist.
Es wurde übersehen, dass es sich bei Spritzgiessmaschinen
um einen Sonderfall handelt, da der Spritzzyklus in relativ weiten
Zeitgrenzen variieren und eine Zeitdauer im Sekundenbereich umfassen
kann. Das Ziel der Steuerung/Regelung des Spritzgiessprozesses ist
eine möglichst identische Aufeinanderfolge von Spritzzyklen.
Die Spritzteile von allen aufeinanderfolgenden Zyklen sollen in
jeder Beziehung identisch sein. Damit sind aber auch die in jeder
Komponente erzeugten Wärmemengen und die entsprechenden
Temperaturanstiege des Kühlmediums in beliebiger Repetition
nahezu gleich. Die Erwärmung der Wärmequellen
erfolgt maximal im Sekundenbereich. Allein der Wärmefluss
von den Wärmeerzeugerstellen bis zu den Kühlflächen
benötigt in der Regel ein Mehrfaches der Zeit eines Spritzzyklus.
Damit ist aber eine Regelung innerhalb eines Spritzzyklus fragwürdig.
Wie anhand besonders vorteilhafter Ausgestaltungen gezeigt wird,
kann verhindert werden, dass die Regelung „verrückt"
spielt und dass Aufschaukelungen vermieden werden. Die Regelung
wird gleichsam auf weiten Strecken eines Spritzzyklus blind gemacht
für den exakten Temperaturverlauf. Bereits erste Laborversuche
zeigten überraschende Erfolge. Der Erfinder hat den Vorteil,
dass er die bisherige Praxis auf die Seite schieben kann, wenn die
konkreten Erfolge seine Erfindung bestätigen.
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Die
neue Erfindung gestattet eine ganze Anzahl vorteilhafter Ausgestaltungen.
Es wird dazu auf die Ansprüche 2 bis 9 sowie 11 bis 18
Bezug genommen.
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Gemäss
einem besonders vorteilhaften Ausgestaltungsgedanken wird die Pumpe
des sekundären Kreislaufes wie auch der Wärmetauscher
zwischen dem Tank und den Wärmequellen angeordnet. Vorteilhafterweise
wird die Basistemperatur für die Temperaturregelung des
sekundären Kreislaufes am Ausgang des Wärmetauschers
erfasst. Ferner schlägt die neue Erfindung vor, dass ein
Temperaturregelzyklus definiert wird und die Basistemperatur für die
Temperaturregelung am Ende eines Temperaturzyklus gemessen wird.
Damit löst sich die neue Erfindung nicht nur von dem Spritzzyklus,
sondern gestattet für die Temperaturregelung des Kühlmittels,
sich frei zu machen von dem zyklisch extrem schwankenden Wärmeanfall
bei den Wärmeerzeugern. Besonders bevorzugt wird der primäre
Kühlkreis durch kurzzeitige stossweise Zugabe von Kühlwasser
oder eines anderen Kühlmittels gesteuert, wobei die Errechnung
der Kühlmittelmenge die Basistemperatur des vorangehenden
Regelzyklus für den nachfolgenden Regelzyklus eingesetzt
und entsprechend die Oeffnungs-Zeitdauer für das Kühlwasser
pro Zyklus festgelegt wird.
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Die
Zeitdauer für einen Regelzyklus kann vollständig
unabhängig von dem Spritzzyklus festgelegt werden. Dies
gestattet bei der Konzipierung des Kühlsystems, bereits
beim Maschinenhersteller eine optimale Kühlregelung zu
erarbeiten. Der Spritzgiesser kann seinen Spritzzyklus nach seinem
Bedarf frei festlegen.
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Wie
in der Folge noch dargelegt wird, wird
- 1. ein
Ist-Wert bzw. ein Basistemperaturwert erfasst und dieser mit einem
Soll-Wert verglichen.
- 2. Als Stellgrösse wird die Zeitdauer des Kühlwasserflusses
pro Regelzyklus im primären Kühlkreis errechnet.
- 3. Die Korrekur findet jedoch nicht im selben Regelzyklus sondern
erst in dem nachfolgenden statt.
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Es
ergibt sich für den
Regler-Messwert: (T-Ist – T-Soll)ΔT
Regler-Eingriff:
T = k·ΔT + k·(ΔT).
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Wenn
die Temperaturdifferenz zu klein ist, findet kein unmittelbarer
Regler-Eingriff statt.
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Gemäss
einem vorteilhaften Ausgestaltungsgedanken wird die Temperatur für
die Temperaturregelung punktuell, in wenigstens einem definierten
Zeitabshnitt, vorzugsweise immer dem selben Zeitabschnitt innerhalb
eines Regelzyklus, gemessen. Bevorzugt wird die Temperatur nur punktuell
und nur einmal pro Regelzyklus gemessen. Die Temperaturmessung erfolgt
in einer möglichst stabilen Phase des Regelzyklus. Bevorzugt
erfolgt die Temepraturmessung im Bereich der erwartungsgemässen
maximalen Kühlmediumtemperatur am Ende von jedem Regelzyklus.
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Ganz
besonders bevorzugt erfolgt die Temperaturmessung mittels eines
gedämpften Temperatursensors, wobei dynamische Temperatursprünge innerhalb
eines Regelzyklus ausgefiltert, gemittelt oder ganz einfach nicht
erfasst werden. Aus praktischen Zwecken kann die Temperatur für
die Temperaturregelung im Tank oder direkt nach dem Wärmetauscher
gemessen werden. Wärmetauscher mit Pumpe, Tank und die
Regeleinrichtung für den Wasserdurchsatz können örtlich
kompakt zusammengefasst werden. Die neue Erfindung erlaubt ferner,
die wärmeerzeugenden Komponenten in dem sekundären
Kreislauf seriell oder parallel anzuordnen. Vorrichtungsgemäss
kann die Temperaturregelung eine Zeitsteuerung für die
Temperaturmesswerterfassung für wenisgtens einen definierten
Zeitabschnitt während eines Regelzyklus aufweisen. So wie
alle Parameter in Bezug auf beliebig viele Spritzzyklen, beispielsweise
Zeit und Druck-, eine sehr hohe Konstanz aufweisen, so gilt dies
auch für den Parameter Kühltemperatur. Dies gilt
zumindest für den normalen Spritzzyklus ohne die Startphase.
Der Sensorteil für die Temperaturmesswerterfassung wird
bevorzugt mit einem Dämpfungselement, insbesondere einer Kunststoffkappe,
umhüllt. Durch das Dämpfungselement wird die Ist-Temperatur
für die Regelung nicht mehr als echter Ist-Wert-Verlauf
erfasst. Auf diese Weise werden zusätzlich die dynamischen
Temperatursprünge für die Temperaturregelung ausgeblendet.
Der Temperatursensor für die Temperaturregelung kann im
Tank oder direkt nach dem Wärmetauscher angeordnet werden.
Die Pumpe wird bevorzugt direkt an dem Tank angeflanscht. Der Tank
weist in einer Sicht von oben eine offene winklige Form auf, wobei
der Wärmetauscher in der offenen Winkelform angeordnet
ist. Vorteilhafterweise bilden der Tank, der Wärmetauscher
sowie die Pumpe eine Baugruppe, welche auch die Verbindungsleitungen
vom Tank zur Pumpe sowie von der Pumpe zum Wärmetauscher,
ferner Temperatursensoren sowie das Regelventil aufweist. Das Kühlsystem
verfügt wenigstens über einen wassergekühlten
Elektromotor, bevorzugt alle wassergekühlten Elektromotoren,
sowie wenigstens einen wassergekühlten Umrichter.
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Die
1 zeigt
eine Lösung gemäss der
EP 756 809 als Stand der Technik.
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Die
Erfindung wird nun anhand einiger Ausführungsbeispiele
mit weiteren Einzelheiten erläutert. Es zeigen:
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Die 2 zeigt
eine Lösung gemäss der neuen Erfindung mit dem
Wärmetauscher sowie der Pumpe im Vorlauf;
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die 3 zeigt
den Temperaturverlauf als Temperatur-Ist-Werte über mehrere
Regelzyklen sowie die Temperaturmesswerte;
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die 4 zeigt
eine Gegenüberstellung der Temperatur des Kühlmedium-vorlaufes,
der Temperatur des Kühlmediumrücklaufes sowie
der für die Regelung massgeblichen Temperaturmessaufnahme;
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die 5 zeigt
eine weitere Messwertaufnahme gemäss der neuen Erfindung;
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die 6 zeigt
die Temperatur-Ist-Werte mit den für die erfindungsgemässe
Regelung gewählten Messpunkten in Beug auf einen Regelzyklus;
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die 7 zeigt
eine Baugruppe mit einem Tank, einem Wärmetauscher sowie
einer Pumpe.
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Die 1 zeigt
eine Lösung des Standes der Technik, welche einen Sekundärkreislauf
mit Reservoir 1, eine Zentrifugalpumpe 2, einen
Flussteiler 3 sowie eine Umrichterkühlung 4,
ferner vier Wärmeerzeuger, einen Einspritzmotor 5,
einen Formschliessmotor 6, einen Extrusionsmotor 7 sowie
einen Einspritzmotor 8 aufweist. Gemäss dargestellter
Lösung sind alle Wärmeerzeuger parallel geschaltet
und in dem Wärmetauscher 9 zusammengeführt.
Der Ausgang 10 des Wärmetauschers ist mit dem
Eingang 11 des Tankes 1 als Rücklauf
des sekundären Kühlkreislaufes 12 verbunden.
Der Vorlauf 14 ist mit dem Auslauf 13 des Tankes
sowie dem Zulauf 15 der Pumpe 2 angeschlossen.
Der Ausgang 16 der Pumpe 2 ist mit dem Eingang 17 des
Flussteilers 3 bzw. mit dem Eingang 18 der Wärmeerzeuger
verbunden. Der erste Kühlkreis besteht aus einem Wasserzulauf 19,
einer Wasserabführleitung 20, einem Regelventil 21 sowie
einer Abführleitung 22 für das Kühlwasser.
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Im
Unterschied zur 1 ist in der 2 der Wärmetauscher
gemäss der neuen Erfindung im Vorlauf 14, direkt
nach der Pumpe 2, angeordnet. Die 2 weist
drei Temperaturfühler 30, 31, sowie 32 auf.
Die Temperaturfühler 31 und 32 sind nur
zur Kontrolle vorgesehen. Der für die Temperaturregelung
massgebende Temperaturfühler ist der Fühler 30,
welcher über eine Signalleitung 33 mit einem Regelgerät 34 und
dem Regelventil 21 verbunden ist.
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Die 3 zeigt
die Temperaturverlaufskurve 35 mit Dämpfungslement 37 resp.
die Kurve 36 mit Dämpfungselement von mehreren
Regelzyklen.
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Die 4 zeigt
den Temperaturverlauf einer Vielzahl von Regelzyklen (zwischen Start
und Stopp und mit relativ stabilem mittlerem Temperaturverlauf). Die
Solltemperatur liegt bei 25°C (obere Figur). Die untere
Figur zeigt den Verlauf der Stellgrösse Kühlen sowie
die Kühlleistung.
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Die 5 zeigt
eine weitere Messwertaufnahme gemäss der neuen Erfindung.
Wenn sich der Wärmetauscher im Vorlauf befindet, entstehen,
wie erwartet, starke Temperaturschwankungen. Die Regelung funktioniert
trotzdem sehr gut, weil die Temperatur vom "Celsius" immer zur gleichen
Zeit im Regelzyklus ermittelt wird und das Thermoelement mit einer
Kunstststoffkappe versehen wurde. Dadurch ist die vom "Celsius"
gemessene Temperatur sehr stabil. Der Regler wurde auch bei kleineren
oder grösseren Kühlleistungen nicht instabil.
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Die 6 zeigt
den optimalen Messpunkt 40 als Ist-Wert-Erfassung am Ende
eines Messzyklus. Die gerade Linie 41 stellt den gemessenen „Temperatur-Ist-Wert"
als Basis für die Temperaturregelung dar. Die Kurve 42 stellt
den tatsächlichen Temperatur-Verlauf des Kühlmediums
während eines Regelzyklus dar. Im unteren Figurenteil ist
entsprechend der jeweiligen Temperaturmesswerte als Stellgrösse die Öffnungszeit
des Kühlwasserventils 43 als Funktion der Spannung
am Kühlwasserventil 44 dargestellt.
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Die 7 zeigt
eine Baugruppe mit einem Tank 1, einem Wärmetauscher 9,
sowie einer Pumpe 2, welche über eine Leitung 14 mit
dem Tank 1 verbunden ist. Ueber Anschlüsse 19 wird
dem Wärmetauscher Wasser zugeführt und über
die Leitung 20 abgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 756809 [0009, 0009, 0023]