HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft allgemein Spritzgießen und
insbesondere eine mit thermischem Anguß versehene Spritzgieß-Vorrichtung,
die einen einen Hohlraum bildenden Einsatz mit einer
Kombination von Heiz- und Kühlmöglichkeiten aufweist, die sich um eine
zu einem Anguß führende Zentralbohrung erstrecken.
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Zur Klarstellung wird ist die Bezeichnung "einen Hohlraum
bildender Einsatz" hier so gemeint, daß sie sowohl einen
Formhohlraum-Einsatz, wie in der ersten Ausführung zu sehen, als
auch einen Kerneinsatz, wie in der zweiten Ausführung zu sehen,
einschließen soll.
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Ein "thermischer Anguß", auch als temperaturgestützter Anguß
bezeichnet, bringt eine Temperaturänderung der Schmelze in dem
Angußbereich während jedes Zyklus mit sich, um die
Strömungssteuerung zum Hohlraum hin zu unterstützen. Das ist auf diesem
Fachgebiet bekannt, wie beispielsweise in der am 6. September
1988 ausgegebenen US-A-4 768 945 (Schmidt u.a.), die das
Heizelement so beschreibt, daß es einen sich diagonal in einen
Nasenabschnitt der Düse erstreckenden vorderen Abschnitt
besitzt. In der US-A-4 911 636 vom 27. März 1990 und
US-A-4 941 249 vom 17. Juli 1990, beide vom gleichen Anmelder,
wird thermisches Angießen beschrieben unter Benutzung einer
Düse mit einem integralen Heizelement, das einen kreisformigen
Abschnitt besitzt, der die Schmelzenbohrung in einem vorderen
Nasenabschnitt der Düse umgibt. Die gleichfalls dem selben
Anmelder gehörende US-A-4 875 848 vom 24. Oktober 1989
beschreibt einen sich verjüngenden Anguß-Einsatz, der im vorderen
Ende einer Düse angebracht und durch ein integrales
Wendel-Heizelement beheizt wird.
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Es ist auf dem Fachgebiet bekannt, einen separaten
Formhohlraum-Einsatz zu verwenden, statt einer Formhohlraum-Platte, in
welche die Düse so eingesetzt ist, daß sie die hintere Seite
des Formhohlraums bildet. Beispielsweise zeigt die am 27. Marz
1990 ausgegebene US-A-4 911 636 des gleichen Anmelders eine
sich durch eine Träger- oder Düsenplatte in einen gekühlten
Formhohlraum-Einsatz erstreckende geheizte Düse. Jedoch sind
der Anguß und der gesamte dort hinführende Schmelzendurchlaß
ein Teil der Düse, und die gesamte Heizung wird durch das
einzige Heizelement in der Düse geschaffen. So muß die Düse
sich durch den Formhohlraum-Einsatz bis zum Hohlraum
erstrekken.
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Diese bekannten Systeme haben den Nachteil für auf die
thermische Angußtemperatur reagierende Materialien, daß das
thermische Ansprechen verzögert wird, weil die Kühlung sich in dem
Formhohlraum-Einsatz und die Heizung in der Düse befindet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist dementsprechend ein Ziel der vorliegenden Erfindung,
mindestens teilweise die Nachteile des Standes der Technik zu
überwinden, indem eine Spritzgieß-Vorrichtung mit thermischem
Anguß geschaffen wird mit einem einen Formhohlraum bildenden
Einsatz mit einer Kombination aus Heiz- und Kühleinrichtung,
die sich um eine zu einem Anguß führenden Zentralbohrung
erstreckt.
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Zu diesem Zweck schafft die Erfindung eine
Spritzgieß-Vorrichtung zum Fördern unter Druck stehender Schmelze von einer
Quelle zu einem Formhohlraum, der einen gekühlten, den Form-
Hohlraum bildenden Einsatz mit einem hinteren Ende aufweist,
mit einer beheizten Düse mit einem vorderen Ende, welche
beheizte Düse in einer Düsenplatte so aufgenommen ist, daß das
vordere Ende der beheizten Düse an dem hinteren Ende des den
Form-Hohlraum bildenden Einsatzes anliegt, und die Düse
mindestens einen sich durch sie hindurch erstreckenden Schmelzekanal
aufweist, mit einer Verbesserung der Art, daß der den Form-
Hohlraum bildenden Einsatz einen zu dem Formhohlraum führenden
Anguß, eine zentrale Bohrung zum Fördern von Schmelze von dem
Schmelzekanal in der Düse zu dem Anguß, und ein integrales
elektrisch isoliertes Heizelement besitzt, welches Heizelement
einen äußeren sich nach außen zu einer externen Anschlußklemme
erstreckenden Anschlußklemmen-Abschnitt besitzt, und einen
inneren Abschnitt mit einem allgemein gleichförmig
rechtwinkligen Querschnitt, welcher innere Abschnitt des Heizelementes
eine Vielzahl von einander benachbarten Windungen besitzt, die
eine Innenfläche bilden, wobei das Heizelement integral in dem
den Formhohlraum bildenden Einsatz so angebracht ist, daß der
innere Abschnitt sich um die zu dem Anguß führende
Zentralbohrung erstreckt, wodurch mindestens ein Teil der durch die
einander benachbarten Windungen gebildete Innenfläche des
Innenabschnitts des Heizelementes einen sich verjüngenden
Abschnitt der zu dem Anguß führenden Zentralbohrung bildet.
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Weitere Ziele und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, zusammen mit den beigefügten Zeichnungen gesehen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Abschnittes eines
Spritzgieß-Formsystems oder einer -Vorrichtung mit mehreren
Formhohlräumen und mit thermischem Anguß, die einen
Formhohlraum-Einsatz nach einer ersten Ausführung der Erfindung zeigt;
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Fig. 2 eine gleichartige Ansicht, die die Düsen und den
Formhohlraum-Einsatz in geöffneter Position zeigen;
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Fig. 3 ist eine vergrößerte Schnittansicht des
Formhohlraum-Einsatzes aus Fig. 1 und 2;
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Fig. 4 ist eine Ansicht mit weggeschnittenen Teilen des
Formhohlraum-Einsatzes aus Fig. 3, um die
Kühlleitungs-Gestaltung bei dieser Ausführung zu zeigen; und
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Fig. 5 ist eine Schnittansicht eines Abschnittes eines
Spritzgieß-Systems, die einen Kerneinsatz nach einer zweiten
Ausführung der Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Zunächst wird auf Fig. 1 und 2 verwiesen, die einen Abschnitt
eines Spritzgieß-Formsystems mit mehreren Formhohlräumen und
thermischem Anguß zeigt, mit einer Anzahl beheizter Düsen 10,
von denen jede in einer Düsenplatte 12 zwischen einem
Formhohlraum-Einsatz 14 und einem gemeinsamen länglichen Verteiler 16
aufgenommen ist. Wie in Fig. 1 zu sehen, ist der Formhohlraum-
Einsatz 14 in einer Position so abgesichert, daß sein hinteres
Ende 18 an dem vorderen Ende 20 der Düse 10 anliegt durch eine
Formhohlraum-Einsatzhalteplatte 22. Die
Formhohlraum-Einsatzhalteplatte 22 wird durch Schrauben 24 gehalten, die sich durch
die Düsenplatte 12 zu einer hinteren Platte 26 erstrecken.
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Jede Düse 10 ist durch Bolzen 28 an dem Verteiler 16
angebracht, der durch ein elektrisches Heizelement 30 beheizt wird,
welches integral in diesen eingegossen ist, wie in US-A-4 688
622 vom 25. August 1987 der Anmelderin beschrieben. Der
Verteiler 16 ist an seinem Ort zwischen der Düsenplatte 12 und der
hinteren Platte 26 durch einen zentralen Führungsring 32 und
eine Anzahl von Abstandsringen 34 sicher befestigt. Die
Düsenplatte 12 und die hintere Platte 26 werden dadurch gekühlt, daß
Kühlwasser durch Kühlleitungen 36 hindurchgepumpt wird. Der
Führungsring 32 schafft einen isolierenden Luftraum 36 zwischen
dem beheizten Verteiler 16 und der gekühlten Düsenplatte 12.
Die Abstandsringe 34 ergeben einen weiteren isolierenden
Luftraum 40 zwischen dem beheizten Verteiler 16 und der gekühlten
hinteren Platte 26.
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Der Verteiler 16 besitzt einen Schmelzekanal 42, der sich von
einem gemeinsamen Einlaß 44 zu einer Anzahl von Auslässen 46
verzweigt. Jeder Abstandsring 34 besitzt einen Schaftabschnitt
48, der sich in eine Bohrung 50 im Verteiler 16 erstreckt. Der
Schaftabschnitt 48 besitzt eine diagonale Fläche 52, die einen
spitzen Winkel in dem Schmelzekanal 42 vermeidet.
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Bei dieser Ausführung besitzt jede Düse 10 einen zentralen
Schmelzekanal 541 der sich durch sie hindurch in Ausrichtung
mit einem der Auslässe 46 von dem Schmelzekanal 42 im Verteiler
16 erstreckt. Die Düse 10 wird durch ein integrales elektrisch
isoliertes Heizelement 56 beheizt, das einen wendelförmigen
Abschnitt 58 besitzt, der den zentralen Schmelzekanal 54
umgibt, und einen Anschlußklemmen-Abschnitt 60, welcher sich
nach außen zu einem äußeren Anschluß 62 erstreckt. Die beheizte
Düse 10 besitzt einen kreisförmigen äußeren Bundabschnitt 64,
der einen sich durch den Wendelabschnitt 58 des Heizelementes
56 erstreckenden Luftspalt 66 bildet, um Wärmeverlust an die
Formhohlraum-Einsatzhalteplatte 22 zu verringern. Ein
isolierender Luftraum 68 ist auch um die Düse 10 vorgesehen, um
Wärmeverlust an die umgebende Düsenplatte 12 herabzusetzen.
Jede Düse 10 besitzt auch benachbart dem Heizelement 56 ein
Thermoelement 70 zur Überwachung der Betriebstemperatur. Die
Düse 10 wird durch den Bundabschnitt 64 an ihrer Stelle
gehalten, der in einem angepaßten kreisförmigen Sitz 72 in der
Formhohlraumeinsatz-Halteplatte 22 so aufgenommen ist, daß der
Schmelzekanal 42 durch die Düse 10 genau mit der Zentralbohrung
74 ausgerichtet ist, die sich durch den Formhohlraumeinsatz 14
erstreckt. Der Formhohlraum-Einsatz 14 besitzt auch einen Anguß
76, der zu einem Hohlraum 78 führt, und die Zentralbohrung 74
besitzt dem Anguß 76 benachbart einen sich verjüngenden
Abschnitt 80. Bei anderen Ausführungen kann sich eine Anzahl von
Schmelzekanälen durch jede Düse zu einer Bohrung in dem
Formhohlraum-Einsatz 14 erstrecken.
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Wie mit mehr Einzelheiten später beschrieben wird, sind der
Formhohlraum-Einsatz 14 und der benachbarte Kerneinsatz 82 so
gefertigt, daß sie den Formhohlraum 78 zwischen sich mit einer
beschriebenen Form und Größe bilden. Der Kerneinsatz 82 wird
durch Kühlwasser gekühlt, das durch ein zentrales Kühlrohr 84
strömt. Der Kerneinsatz 82 wird durch eine ihn umgebende
Kerneinsatz-Halteplatte 86 an seiner Stelle gehalten. Eine
Abstreifring-Halteplatte 88 ist mit Schrauben 90 an der
Kerneinsatz-Halteplatte 86 befestigt, um einen Abstreifring 92 um
einen sich verjüngenden Abschnitt 94 des Kerneinsatzes 82
befestigt zu halten. Ein Wasser-Kühlring 96 mit abdichtenden
O-Ringen 98 erstreckt sich um das Gebiet zwischen dem
Abstreifring 92 und der Abstreifring-Halteplatte 88. Fig. 2 ist eine zu
Fig. 1 gleichartige Ansicht, die die Vorrichtung teilweise
auseinandergezogen zeigt, um klar darzustellen, wie die
getrennten Teile Düse 10 und Formhohlraum-Einsatz 14 zueinander
passen.
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Anhand der Fig. 3 und 4 wird nun der Formhohlraum-Einsatz 14
detaillierter beschrieben. Bei dieser Ausführung besitzt er
eine allgemein zylindrische Form mit einem sich verjüngenden
Zentralabschnitt 100, der sich zwischen einem Innenabschnitt
102 und einem Außenabschnitt 104 erstreckt, und ist insgesamt
aus Stahl gefertigt. Der äußere Abschnitt 104 wird dadurch
gekühlt, daß Kühlwasser durch einen Kühlkanal 106
hindurchgepumpt wird, der sich um den sich verjüngenden
Zentralabschnitt 100 erstreckt. Der Kühlkanal 106 besitzt eine Anzahl
von quirlförmigen Abschnitten 108, die sich von äußeren
Umfangsabschnitten 110 nach innen erstrecken und von denen
jeweils einer mit einem Kühlwassereinlaß 112 und der dazu
benachbarte mit einem Kühlwasserauslaß 113 verbunden ist.
O-Ringe 114 erstrecken sich zwischen dem Außenabschnitt 104 des
Formhohlraum-Einsatzes 14 und der umgebenden
Formhohlraum-Einsatzhalteplatte 22, um ein Austreten des Kühlwassers zu
verhindern. Der Zentralabschnitt 100 besitzt eine Anzahl von
Außenumfangsnuten 116, welche eine Luftisolierung zwischen ihm und
dem gekühlten äußeren Abschnitt 104 schaffen.
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Der Formhohlraum-Einsatz 14 besitzt auch ein elektrisch
isoliertes Heizelement 118. Bei dieser Ausführung besitzt das
Heizelement 118 einen Nickel/Chrom-Widerstandsdraht 120, der
sich durch ein wärmefestes elektrisch isolierendes
Pulvermaterial 122, wie Magnesiumoxid, in einem Stahlgehäuse 124
erstreckt. Das Heizelement 118 besitzt einen externen
Anschlußklemmen-Abschnitt 126, der von einem inneren Abschnitt 128 zu
einer äußeren Anschlußklemme 130 absteht. Der externe
Klemmenabschnitt 126 besitzt einen allgemein gleichförmigen
Kreisquerschnitt, während der Innenabschnitt 126 einen allgemein
gleichförmigen rechteckigen Querschnitt besitzt. Der Innenabschnitt
128 des Heizelementes 118 ist aus einer Anzahl von einander
benachbarten Windungen 132 gebildet. Wie im einzelnen in der am
19. November 1990 eingereichten CA-Patentanmeldung SN 2 030 286
mit dem Titel "Injection Molding Nozzle having Tapered Heating
Element Adjacent the Bore" (= US-A-5 046 942) beschrieben, wird
der Innenabschnitt 128 hergestellt durch Wickeln eines
Abschnitts eines Heizelementes und nachfolgendes Eindrücken
desselben in eine Öffnung in einer sich verjüngenden Form. So
bilden die einander benachbarten Windungen 132 mit Rechteck-
Querschnitt eine sich verjüngende Innenfläche 134. Nachdem der
Zentralabschnitt 100 des Formhohlraum-Einsatzes 14 in den
äußeren Abschnitt 104 eingesetzt ist, wird das Heizelement 118
zwischen dem Zentral- und dem Innenabschnitt 100 bzw. 102 des
Formhohlraum-Einsatzes 14 angebracht, wobei sich sein externer
Anschlußklemmen-Abschnitt 126 durch einen (nicht dargestellten)
Schlitz in dem Außenabschnitt 104 erstreckt. Der Aufbau wird
dann in einem Vakuumofen miteinander hartverlötet, wodurch eine
metallurgische Bindung der Teile zu einer integralen Einheit
erfolgt. Der Zentralabschnitt 128 des Heizelementes 118 umgibt
die zu dem Anguß 76 führende Zentralbohrung 74. Tatsächlich
wird bei dieser Ausführung der Erfindung der sich verjüngende
oder konische Abschnitt 80 der Zentralbohrung 74, der durch den
Formhohlraum-Einsatz 14 zu dem Anguß 76 führt, durch die sich
verjüngenden benachbarten Windungen 132 des inneren Abschnitts
128 des Heizelementes 118 gebildet. Der Formhohlraum-Einsatz 14
besitzt auch benachbart dem Heizelement 118 ein Thermoelement
137 zur Überwachung der Betriebstemperatur.
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Im Gebrauch wird das System so zusammengebaut, wie Fig. 1 und 2
zeigen, und elektrischer Strom wird in das Heizelement des
Verteilers 16, die Heizelemente 56 der Düsen 10 und die
Heizelemente 118 der Formhohlraum-Einsätze 14 geschickt, um diese auf
eine vorbestimmte Betriebstemperatur aufzuheizen. Unter Druck
stehende Schmelze wird von einer (nicht dargestellten)
Gießmaschine durch den Einlaß 44 in den Schmelzekanal 42 im Verteiler
16 gemäß einem vorbestimmten Betriebszyklus eingegossen. Um für
ein thermisches oder temperaturgestütztes Eingießen zu sorgen,
wird die Stromstärke zu den Heizelementen 118 der
Formhohlraum-Platten 14 zusammen mit dem Schmelzen-Eingußdruck
gesteuert. Die unter Druck stehende Schmelze strömt durch den
Schmelzekanal 42 die Schmelzekanale in jeder Düse 10, den
Formhohlraum-Einsatz 14, die Angüsse 76 und füllt die Formhohlräume 78.
Nachdem die Formhohlräume 78 gefüllt sind, wird der Eingußdruck
momentan konstant gehalten und dann nachgelassen. Nach einem
kurzen Abkühlzeitraum wird die Form längs der Teillinie 138
geöffnet, um die gegossenen Erzeugnisse auszuwerfen. Die
Stromzufuhr zu den Heizelementen 118 wird vor dem Öffnen der
Form unterbrochen. Die Wärme in den Anguß- und
Form-Hohlraumbereichen wird durch das durch den Kühlkanal 176 strömende Wasser
rasch abgeführt, und die Angüsse 76 erstarren. Wenn die Form
zum nachfolgenden Gießvorgang geschlossen wird, wird wieder
Heizstrom an die Heizelemente 118 angelegt. Dadurch wird die
verfestigte Schmelze in den Angüssen 76 augenblicklich
aufgeheizt, so daß sie sich unmittelbar öffnen, wenn der Schmelze-
Eingußdruck wieder angelegt wird. Dieser Zyklus wird
kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von in manchen Fällen einigen
Malen pro Minute wiederholt. Die Kombination aus Kühlkanal 106
und Heizelement 118, die sich um die sich verjüngende Bohrung
des Formhohlraum-Einsatzes 14 erstreckt, verbessert das
thermische Ansprechverhalten und setzt so die Zyklus zeit herab. Das
trifft besonders dann zu, wenn ein Teil der durch die einander
benachbarten Windungen 132 des Innenabschnitts 128 des
Heizelements 118 gebildeten Innenfläche 134 den sich verjüngenden
Abschnitt 80 der Zentralbohrung des Formhohlraum-Einsatzes 14
ergibt.
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Es wird nun anhand der Fig. 5 eine zweite Ausführung der
Erfindung beschrieben. Da viele Elemente dieser Ausführung
gleichartig zu denen der ersten Ausführung sind, werden die
beiden Ausführungen gemeinsame Elemente unter Benutzung der
gleichen Bezugszeichen beschrieben und dargestellt. Wie zu
sehen ist, besitzt bei dieser Ausführung der Formhohlraum 140
eine andere Gestalt als der Formhohlraum 78 der ersten
Ausführung. So ist statt eines Formhohlraum-Einsatzes ein
Kerneinsatz 172 erforderlich. Wie vorstehend bemerkt, soll der
Oberbegriff "Formhohlraum bildender Einsatz" hier so benutzt werden,
daß er sowohl den Formhohlraum-Einsatz 14, wie bei der ersten
Ausführung beschrieben, als auch einen Kerneinsatz 142 umfaßt,
wie er bei dieser Ausführung beschrieben wird. Der Kerneinsatz
142 ist an seinem Ort so befestigt, daß sein hinteres Ende 144
an dem vorderen Ende 20 der Düse 10 anliegt, mittels einer
Kern-Einsatzhalteplatte 146, die durch (nicht gezeigten)
Schraubbolzen, die sich zu der hinteren Platte 26 erstrecken,
festgemacht ist.
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Der Kerneinsatz 142 besitzt ein gleichartiges Heizelement 148
mit einem externen Klemmenabschnitt 150 und einem inneren
Abschnitt 152, der sich um eine zu einem Anguß 156 erstreckende
Zentralbohrung 154 erstreckt. Der externe Klemmenabschnitt 150
besitzt einen allgemein gleichförmigen Kreisquerschnitt,
während der Querschnitt des inneren Abschnitts 152 allgemein
rechtwinklig ist. Wie vorstehend beschrieben, wird der innere
Abschnitt 152 des Heizelements 148 aus einer Anzahl einander
benachbarter Windungen 158 gebildet, die eine Innenfläche 160
ergeben. Bei dieser Ausführung bildet die Innenfläche 160 den
größten Teil der Zentralbohrung 154 durch den Kerneinsatz 142,
so daß ein unmittelbares thermisches Ansprechverhalten für
thermischen Anguß geschaffen wird. Der Kerneinsatz 142 besitzt
auch miteinander verbundene Kühlbohrungen 162, die sich um die
Zentralbohrung 154 erstrecken und durch welche Kühlwasser
gepumpt wird, um eine Kühlung zu schaffen.
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Im Gebrauch wird eine Beheizung und ein Schmelze-Eingießdruck
entsprechend einem vorbestimmten thermischen Angußzyklus,
gleichartig dem vorstehend beschriebenen, angewendet, und die
Form wird längs der Trennlinie 164 geöffnet. Die Kombination
aus Heizen und Kühlen in dem Kerneinsatz 142 verbessert
wiederum das thermische Ansprechverhalten und setzt die Zyklus zeit
herab.
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Zwar wurde eine Beschreibung der Spritzgieß-Formvorrichtung
gegeben mit einem einen Formhohlraum bildenden Einsatz 14 mit
einer Kombination aus Heiz- und Kühlmöglichkeit, der sich um
die Zentralbohrung 74 erstreckt, mit Bezug auf die bevorzugte
Ausführung, jedoch ist dies nicht in einem begrenzenden Sinn
auszulegen. Es ist offenbar, daß die Größe und die Form der
Zentralbohrung und die Größe, Form und der Ort des Kühlkanals
und des sich darum erstreckenden Heizelements bei
unterschiedlichen Anwendungen verschieden sein kann.