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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Sterilisierungseinheit für eine Verpackungsmaschine
für fließfähige Nahrungsmittel.
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Es
sind Maschinen zum Verpacken von fließfähigen Nahrungsmitteln wie Fruchtsaft,
Wein, Tomatensauce, pasteurisierte oder konservierte (H-)Milch usw.
bekannt, bei welchen die Packungen aus einem kontinuierlichen Schlauch
aus Verpackungsmaterial gebildet werden, der durch einen längsversiegelten Streifen
definiert ist.
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Das
Verpackungsmaterial hat eine Mehrschichtstruktur, die eine Schicht
aus Papiermaterial aufweist, die an beiden Seiten mit Schichten
aus Heißsiegelmaterial,
z.B. Polyethylen beschichtet ist. Zum aseptischen Verpacken von
konservierten Produkten wie H-Milch weist das Verpackungsmaterial eine
Schicht aus Sperrmaterial, die beispielsweise durch eine Aluminiumfolie
gebildet ist, über
eine Schicht aus Heißsiegelkunststoffmaterial
gelegt und wiederum mit einer weiteren Schicht aus Heißsiegelkunststoffmaterial
beschichtet ist, die die Innenseite der Packung bildet, die mit
dem Nahrungsmittel in Kontakt gelangt.
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Aseptische
Packungen werden hergestellt, indem der Streifen aus Verpackungsmaterial
in Schritten von einer Rolle und durch eine Sterilisierungseinheit
abgewickelt wird, wo er beispielsweise durch Eintauchen in eine
Kammer mit einem flüssigen
Sterilisierungsmittel wie einer konzentrierten Lösung von Wasserstoffperoxid
und Wasser sterilisiert wird.
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Der
Streifen wird dann einer aseptischen Kammer zugeführt, wo
das Sterilisierungsmittel durch Erwärmung verdampft wird; und der
Streifen wird dann zu einem Zylinder gefaltet und in Längsrichtung
versiegelt, um auf bekannte Weise einen kontinuierlichen, vertikalen,
längsversiegelten Schlauch
zu bilden. D.h., der Schlauch aus Verpackungsmaterial bildet einen
Ansatz der aseptischen Kammer und wird kontinuierlich mit dem fließfähigen Nahrungsmittel
gefüllt
und einer Form- und (Quer-)Versiegelunaseinheit zum Formen der einzelnen
Packungen zugeführt,
den Schlauch zwischen Paaren von Backen ergreift, um den Schlauch
in Kissenpacks querzuversiegeln.
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Die
Kissenpacks werden durch Schneiden des Versiegelungsabschnitts zwischen
den Packs getrennt und dann zu einer Endfaltstation transportiert,
wo sie mechanisch in die Endgestalt gefaltet werden.
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Genauer
weist die oben angesprochene Sterilisierungseinheit eine Kammer
auf, die das Sterilisierungsmittel enthält und durch welche der Streifen kontinuierlich
zugeführt
wird. Die Sterilisierungskammer weist geeigneterweise zwei parallele
vertikale Zweite auf, die am Boden miteinander verbunden sind, um
einen U-förmigen
Pfad zu bilden, dessen Länge
von der Laufgeschwindigkeit des Streifens abhängt, um genug Zeit zur Verarbeitung
des Verpackungsmaterials vorzusehen. Zur wirksamen Verarbeitung
des Verpackungsmaterials innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums,
d.h. etwa sieben Sekunden, und damit zur Reduzierung der Gröle der Sterilisierungskammer
muß das
Sterilisierungsmittel auf einer hohen Temperatur, z.B. von etwa
70°C gehalten
werden. Bei bekannten Sterilisierungseinheiten ist dies normalerweise
dadurch erreicht, daß die
Wände der Sterilisierungskammer
mit einem ersten Spalt gebildet sind, der bei Verwendung mit Wasser gefüllt ist, das
durch ein thermostatisch gesteuerte Heizgerät umläuft.
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Während das
Verpackungsmaterial an den mit Polyethylen beschichteten Seiten
des Streifens völlig
undurchlässig
ist, liegt die Schicht aus Papiermaterial entlang der Kanten des
Streifens frei und ist ziemlich absorbierend; und was im Stand der
Technik als "Kantendochtwirkung" (Kantenabsorption)
bekannt ist, wird innerhalb annehmbarer Grenzen gehalten, sofern
der Streifen über
einen begrenzten Zeitraum in der Sterilisierungskammer gehalten
wird, was der Fall ist, wenn die Maschine normal arbeitet.
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Sollte
die Maschine allerdings aus irgendeinem Grund angehalten werden,
dann muß die
Sterilisierungskammer sofort entleert werden. Ansonsten dringt das
Sterilisierungsmittel in die Kanten der Papierschicht ein und, falls
dies nur bis zu einer Breite von einigen Millimetern passiert, wird
unvermeidlich die nachfolgende Längsversiegelung
des Streifens zur Bildung des Schlauchs aus Verpackungsmaterial beeinträchtigt.
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Nach
dem Stoppen und besonders nach dem Neustart der Maschine nach einem
kurzen Stopp tritt die Kantendochtwirkung bei bekannten Maschinen
tendenziell sowieso auf, obwohl die Sterilisierungskammer geleert
wird.
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Eine
gründliche
Untersuchung des Phänomens
führte
mehrere Gründe
zutage:
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- – die
Porosität
des Papiermaterials: aus Produktionskostengründen kann diese nur in gewissem Maße reduziert
werden;
- – hydrostatischer
Druck: dieser ist ebenfalls schwer zu reduzieren, da je nach der
nötigen
Verarbeitungszeit die Höhe
der U-förmigen
Sterilisierungskammer nur durch Veränderung der Struktur der Sterilisierungseinheit
reduziert werden kann, was offensichtlich zu Komplikationen für das gesamte
System führt;
und – die
Temperatur der Sterilisierungskammer während des Stoppens und des
Sterilisierungsmittel beim Zurückführen in die
Kammer.
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Insbesondere
hat man herausgefunden, daß die
Kantendochtwirkung stark durch jede Differenz, selbst bei nur einigen
Graden, zwischen der Temperatur innerhalb der Kammer während des
Stoppens und der Temperatur des in die Kammer zurückgeführten Sterilisierungsmittels
betroffen wird. Bei bekannten Maschinen wird eine solche Temperaturdifferenz dadurch
bewirkt, daß die
Temperatur der Kammer tendenziell ansteigt, wenn die Kammer während des Stoppens
geleert wird, und zwar während
der unvermeidlichen Verzögerung
des Thermostats, der auf die Reduzierung der thermischen Absorption
reagiert, wenn die Kammer geleert wird. Als Ergebnis steigt die
Temperatur innerhalb der Kammer typischerweise auf wenigstens 80°C an, so
daß das
an den Wänden
der Kammer und in dem Papiermaterial verbleibende Sterilisierungsmittel
tendenziell verdampft, womit gesättigter
Dampf innerhalb der Kammer erzeugt wird, so daß die Poren des Papiermaterials
ein gesättigtes
Luft-/Dampfgemisch enthalten.
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Wenn
das flüssige
Sterilisierungsmittel mit einer niedrigeren Temperatur zurückgeführt wird (aufgrund
der Ableitung ist die Temperatur der in die Kammer zurückgeführten Flüssigkeit
bestenfalls einige Grade niedriger als die Flüssigkeit in der Kammer, als
die Maschine angehalten wurde), ist die Temperatur des Streifens
und deshalb des Luft-Dampf-Gemisches innerhalb der Poren reduziert:
der Effekt dieser Reduzierung ist praktisch zu vernachlässigen,
was die Luft angeht, die einer Volumenreduzierung von lediglich
ein paar Prozent unterzogen wird, aber deutlich ernster, was den
Dampf angeht, der kondensiert, um im flüssigen Zustand ein viel geringeres
Volumen einzunehmen. Diese drastische Volumenreduzierung erzeugt
einen starken "Saug"-Effekt, der das
Sterilisierungsmittel in die Poren des Papiermaterials zieht und
die Hauptursache für
das Kantendochtwirkungsphänomen
ist.
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Als
Lösung
für das
Problem, das bei längeren
Stopps nicht so ernst ist, und zwar. wegen der Verdampfung der Restflüssigkeit
und einer Reduzierung der relativen Feuchtigkeit in der Kammer,
wurden Sterilisierungseinheiten ersannt, bei welchen das Sterilisierungsmittel
vor dem Zuführen
in die Sterilisierungskammer erwärmt
wird, indem es innerhalb eines zweiten Spalts umläuft, der
außerhalb
der Wände
der Sterilisierungskammer angeordnet ist und einen Wärmeaustausch
mit dem Wasser in dem ersten Spalt ermöglicht.
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Es
wird auch ein Hilfswärmetauscher
verwendet, der kaltes Wasser als Kühlmittel aus dem Netz als Kühlmittel
zum Abkühlen
des Wassers verwendet, das die Temperatur der Sterilisierungskammer
vor dem Start der Maschine steuert, d.h. ehe das Sterilisierungsmittel
in die Kammer zugeführt
wird. Da allerdings das Wasser nur nach dem Vorwärmen des Sterilisierungsmittels
abgekühlt
werden kann, das unter Verwendung des gleichen Wassers als Heizfluid
vorgewärmt
wird, kann der Neustart der Maschine ziemlich lange Zeit benötigen, typischerweise bis
zu 7 – 8
Minuten, was in manchen Fällen
sogar länger
als die tatsächliche
Auszeit der Maschine ist.
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In
Hinblick auf die extrem hohe Ausgangsgeschwindigkeit von Verpackungsmaschinen
ergeben solche Stopps beträchtliche
Kosten, was die verlorene Produktion angeht.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Einheit zum
Sterilisieren von Streifenverpackungsmaterial für eine Maschine zum Verpacken
von fließfähigen Nahrungsmitteln
vorzusehen, die so ausgelegt ist, daß die obengenannten Nachteile
beseitigt sind, die typischerweise mit bekannten Maschinen in Beziehung
stehen.
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Nach
der vorliegenden Erfindung ist eine Sterilisierungseinheit nach
Anspruch 1 vorgesehen.
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Zwei
bevorzugte, nicht einschränkende
Ausführungsformen
werden nun beispielhaft unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben; darin zeigen:
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1 ein Schaltungsdiagramm
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung; und
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2 ein Schaltungsdiagramm
einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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In 1 gibt die Ziffer 1 insgesamt
eine Sterilisierungseinheit zum Sterilisieren eines Streifens 2 aus
Verpackungsmaterial für
eine Verpackungsmaschine für
ein fließfähiges Nahrungsmittel.
Der Streifen 2 wird der Einheit 1 auf bekannte
Weise von einer nicht gezeigten Rolle aus zugeführt.
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Die
Einheit 1 weist im wesentlichen eine U-förmige Sterilisierungskammer 3 oder
ein Bad zur Aufnahme eines flüssigen
Sterilisierungsmittels, z.B. einer 30%igen Wasserstoffperoxidlösunq (H2O2) und Wasser auf
(im folgenden einfach als "das
Peroxid" bezeichnet).
Die Kammer 3 ist von einer vertikalen Einlaßleitung 4 und
einer vertikalen Auslaßleitung 5 gebildet,
die obere Öffnungen 6 bzw. 7 haben
und am Boden durch einen Bodenabschnitt 5 der Kammer 3 miteinander
verbunden sind, der eine Getriebewalze 8 mit horizontaler
Achse aufnimmt. Der Streifen 2 bildet deshalb innerhalb
der Kammer 3 einen U-förmigen
Pfad P, dessen Länge
von der Laufgeschwindigkeit des Streifens abhängt, um zu gewährleisten,
daß das
Verpackungsmaterial lange genug in dem Peroxid gehalten wird.
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Die
Sterilisierungskammer 3 gehört zu einer Peraxidsteuerschaltung 10,
die auch einen Peroxidsammeltank 11 aufweist; eine Leitung 12,
durch welche die Kammer gefüllt/geleert
werden kann; eine Pumpe 13, welche in den Tank 11 eingetaucht
ist und die von einem Elektromotor 14 angetrieben wird;
eine Abgabeleitung 15, welche die Abgabeseite der Pumpe 13 über ein
Ventil 16 mit der Leitung 12 verbindet, und ein
Ablaßrohr 17,
das die Leitung 12 aus Sicherheitsgründen über ein Zweiwege-, Zweipositionsventil 18,
das normalerweise geöffnet
ist, mit dem Tank 11 verbindet (die Kammer 3 wird
bei einer Störung
eines elektrischen Systems geleert).
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Das
Ventil 16 ist bevorzugt ein Zweiwege-, Zweipositionsventil
von dem Typ, der normalerweise geöffnet ist, aber mit einem (nicht
gezeigten) Ein-Aus-Element, welches in der geschlossenen Position
eine Restleckage ermöglicht.
Dafür kann
ein handelsübliches
Ventil verwendet werden und ein Loch geeigneter Größe in dem
Ein-Aus-Element ausgebildet sein. Die Peroxidschaltung 10 weist
auch eine mit dem Tank 11 verbundene Umlaufleitung 20 auf,
die mit einem Überlauf 21 in
Verbindung steht, der in dem oberen Abschnitt der Einlaßleitung 4 der Kammer 3 ausgebildet
ist, um den maximalen Pegel von Peroxid in der Kammer 3 zu
bestimmen.
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Die
Einheit 1 weist auch ein System 25 zum Steuern
der Temperatur des Peroxids in der Kammer 3 auf. Bei der
Ausführungsform
von 1 ist das System 25 hydraulisch
und weist einen Wärmetauscher 26 auf,
der Heißwasser
als Betriebsfluid auf, mit welchem Wärme mit dem Peroxid ausgetauscht wird.
Eine Phase des Austauschers 26 ist durch die Kammer 3 selbst
gebildet, und die andere Phase weist zwei Spalte 27a, 27b auf,
die in den Wänden der
Leitungen 4 und 5 der Kammer 3 ausgebildet
und einem Hydraulikkreis 28 zum Steuern der Temperatur der Kammer 3 zugeordnet
ist. Genauer weist der Kreis 28 eine Pumpe 29 mit
einer Abgabeleitung 30 auf, mit der in Reihe miteinander
eine Phase 31 eines Abkühlungswärmetauschers 32,
was weiter unten erläutert
wird, und ein elektrisches Widerstandsheizgerät 33 geschaltet sind,
dessen Ausgang wiederum mit dem Bodeneinlaß des Spalts 27a verbunden
ist. Die Spalte 27a und 27b sind miteinander ar.
den oberen Enden durch eine Leitung 35 verbunden.
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Die
Pumpe 29 hat auch eine Ansaugleitung 37, die mit
dem Bodenauslaß 36 des
Spalts 27b verbunden ist.
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Der
Kreis 28 ist einem Kühlkreis 30 zugeordnet,
der Kaltwasser aus dem Netz als Betriebsfluid verwendet. Der Kreis 40 weist
eine Einlaßleitung 31 auf,
die über
ein Zweiwege-, Zweipositionsventil, ein normalerweise geschlossenes
Schaltventil 42 mit einer zweiten Phase 43 des
Austauschers 32 verbunden ist, die in der der Phase 31 entgegengesetzten Richtung
strömt;
und der Auslaß der
zweiten Phase 43 des Austauschers 32 ist mit einer
Wasserablaßleitung 44 verbunden.
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Nach
der vorliegenden Erfindung weist die Einheit 1 auch ein
Peroxidvorwärmsystem 45 auf.
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Das
System 45 weist im wesentlichen einen Kreuzstrom-Wärmetauscher 46 auf,
der Wasser als Betriebsfluid verwendet. Genauer hat der Austauscher 46 einen
Peroxideinlaß 47,
der mit der Abgabeleitung 15 der Pumpe 13 verbunden
ist; einen Peroxidauslaß 48,
der mit der Umlaufleitung 20 verbunden ist; und eine Wasserphase,
die mit einem Heizkreis 49 in Reihe geschaltet ist und
einen Einlaß 50 und
einen Auslaß 51 hat.
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Der
Kreis 49 weist im wesentlichen eine Umlaufpumpe 52 auf,
die ihrerseits eine Ansaugleitung 55 aufweist, die mit
dem Auslaß 51 des
Wärmetauschers 46 verbunden
ist, und eine Abgabeleitung 56, die mit einem elektrischen
Widerstandsheizgerät 57 verbunden
ist, das seinerseits am Ausgang mit dem Einlaß 50 des Austauschers 46 verbunden
ist.
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Die
Ansaugleitungen 37, 55 der Pumpen 29 bzw. 52 sind
durch Leitungen 58 bzw. 59 mit einer Fülleitung 60 und
einer Ablaßleitung 61 verbunden, die
ihrerseits durch Hähne 62 bzw. 63 mit
dem Wassernetz verbunden werden können; und zweigverbunden mit
der Fülleitung 60 sind
ein Wasser-/Druckluftspeicher 64 für die Druckausgleichskreise 28, 49 und
ein Maximaldruckventil 65, das am Austritt mit der Ablaßleitung 44 verbunden
ist.
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Die
Pumpen 13, 29, 52, die Ventile 16, 18, 42 und
die Widerstände
der elektrischen Heizgeräte 33, 57 werden
von einer Steuereinheit 66 in Reaktion auf Eingangssignale
Si gesteuert, die von Prozeßsensoren
empfangen werden, die insbesondere einen Sensor zum Erfassen der
Temperatur des Wassers in dem Spalt 27b, einen Sensor zum
Erfassen der Temperatur des Wassers des Peroxids 1n der Kammer 3 und
einen Sensor zum Erfassen der Temperatur des Peroxids in dem Tank 11 aufweisen.
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Die
Einheit 1 arbeitet wie folgt.
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Beim
Kaltstart ist die Kammer 3 leer, das ganze Peroxid ist
in dem Tank 11 enthalten, und die Pumpe 13 wird
erregt, um eine große
Menge von Peroxid, z.B, etwa 50 l/min durch den Wärmetauscher 46 zuzuführen.
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Das
Füllventil 16 ist
geschlossen, ermöglicht aber,
wie bereits festgestellt, eine kleine Leckagemenge (einige l/min)
zu der Leitung 12, und das Ablaßventil 18 ist geöffnet, so
daß die
Kammer 3 nicht gefüllt
wird, bis die besten Zyklusstartbedingungen erreicht sind; bis dahin
lassen die Pumpen 29 und 52 Wasser durch die Heizgeräte 33 bzw. 57 umlaufen. Die
Zyklusstartbedingungen sind beispielsweise 72°C für das Wasser in dem Kreis 28 und
75°C für das Peroxid
in dem Tank 11 (Fülltemperatur).
In diesem Fall wird die Wassertemperatur ziemlich hoch gehalten,
da, weil die Kammer 3 und der Streifen trocken sind, im
wesentlichen keine Gefahr einer Kantendochtwirkung besteht, während wichtig
ist, einen unerwünschten
Erstfüllabfall
bei der Temperatur des Peroxids aufgrund eines Wärmeverlusts in den noch kalten
Rohren zu verhindern.
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Beim
Start des Zyklus wird das Ventil 16 geöffnet und das Ventil 18 geschlossen,
so daß die Kammer 3 rasch
mit Peroxid gefüllt
wird, und das Ventil 16 wird wieder geschlossen, wenn die
Kammer gefüllt
ist.
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Während eines
normalen Betriebs der Maschine wird die Temperatur des Peroxids
sowohl in der Kammer 3 als auch in dem Tank 11 mindestens auf
73°C gehalten;
und falls eine der obengenannten Temperaturen unter den vorbestimmten
Schwellenwert fällt,
wird von dem Kreis 28 bzw. dem Kreis 49 ein Heizzyklus
aktiviert.
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Die
Pumpe 13 arbeitet ständig,
um eine kontinuierliche Strömung
durch den Austauscher 46 (das Heizgerät 57 ist allerdings
in diesem Stadium normalerweise ausgeschaltet) und eine kontinuierliche
Leckage von Peroxid durch das Ventil 16 aufrechtzuerhalten – geeignet
einige Liter pro Minute – um
etwaige Peroxidverluste in der Kammer 3 auszugleichen, die
durch eine Auszufuhr des nassen Streifens 2 verursacht
sind, und auch, um das Rohr 12 und den Boden der Kammer 3 heiß zu halten.
Jedes überzählige Peroxid
strömt
aus der Kammer 3 durch den Überlauf 21 und zurück in den
Tank 11 entlang der Umlaufleitung 20. Auch die
Pumpen 29 und 52 arbeiten konstant. Die Temperatur
des Peroxids in der Kammer 3 wird auf herkömmliche
Weise von der Schaltung 28 gesteuert. Wenn die Temperatur
in der Kammer 3 unter den Schwellenwert fällt, wird
das Heizgerät 33 aktiviert,
um das Wasser in den Spalten 27a, 27b zu erwärmen und
so die Kammer 3 "aktiv
zu ummanteln". In
diesem Stadium wird das Ventil 42 des Kühlkreises 4U geschlossen
gehalten.
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Wenn
die Temperatur in dem Tank 11 unter den Schwellenwert fällt, wird
das Heizgerät 57 aktiviert.
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Falls
die Maschine angehalten wird, öffnet die
Steuereinheit das Ventil 18, um die Kammer 3 rasch
zu leeren.
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An
diesem Punkt werden gleichzeitig ein Kühlzyklus zum Abkühlen der
Kammer 3 auf weniger als die Betriebstemperatur (z.B. 63°C) und ein
Heizzyklus zum Erwärmen
des Peroxids auf die Fülltemperatur
(z.B. 75°C)
begonnen. Die Kammer 3 wird abgekühlt, indem das Heizgerät 33 deaktiviert
wird und der Kühlkreis 40 aktiviert
wird, indem das Ventil 42 geöffnet wird; und das Peroxid
wird durch Aktivierung des Heizgeräts 57 erwärmt.
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Die
obengenannten Bedingungen werden rasch erreicht, normalerweise in
weniger als einer Minute, und zwar wegen der gleichzeitigen Wirkung
der Kreise 40 und 49, und gewährleisten, daß die Kantendochtwirkung
innerhalb akzeptabler Grenzen bleibt, wenn die Maschine wieder gestartet
wird.
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D.h.,
die Kühlung
der Kammer 3 und die Vorerwärmung des Peroxids auf eine
höhere
Temperatur verhindern, daß der
Dampf innerhalb der Kammer 3 kondensiert, wenn die Kammer 3 wieder
gefüllt
wird. Selbst nach einem kurzen Stopp, während dessen die Kammer 3 zweifelsohne
gesättigt
ist, kann die Maschine rasch wieder gestartet werden.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform
einer Sterilisierungseinheit nach der vorliegenden Erfindung, die
insgesamt mit 1' angegeben
ist. In der folgenden Beschreibung ist die Einheit 1' nur insofern beschrieben,
als sie sich von der Einheit 1 unterscheidet; dabei wird
das gleiche Numerierungssystem für
alle Teile verwendet, die identisch mit den bereits beschriebenen
sind oder diesen entsprechen.
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Die
Einheit 1' unterscheidet
sich von der Einheit 1 dadurch, daß das System 25 zum Steuern
der Temperatur in der Kammer 3 elektrisch und nicht hydraulisch
ist. Genauer ist die Kammer 3 anstelle von Spalten 27a, 27b von
vier elektrischen Heizgeräten 70 umgeben,
die von der Einheit 66 gesteuert werden und extern in Paaren
in Wände
der Leitungen 4 bzw. 5 eingepaßt sind.
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Falls
die Maschine angehalten wird, wird die Kammer 3 abgekühlt, indem
die Heizgeräte 70 deaktiviert
werden und mittels eines Zwangsentlüftungskreises 71 (in 2 schematisch gezeigt) sterile
Luft mit einer niedrigeren Temperatur als die Kammer 3 in die
Kammer 3 geblasen wird.
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Falls
die Wärmedispersion
durch die Wände der
Leitungen 4, 5 ausreicht, kann die Kammer 3 alternativ
abgekühlt
werden, indem einfach die elektrischen Heizgeräte 70 deaktiviert
werden.
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Natürlich lassen
sich an den hier beschriebenen Einheiten 1, 1' Änderungen
vornehmen, ohne allerdings den Umfang der beigefügten Ansprüche zu verlassen.