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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einheit zum Erzeugen,
Aufrechterhalten und Eliminieren eines Vakuums und zur Erzeugung,
Aufrechterhaltung und Eliminierung von Druck in beispielsweise einem Tank
zum Sammeln und weiteren Transport von Abfall in einer Vakuumtoilette.
Die Erfindung bezieht sich ebenso auf ein System, das eine Vakuumeinheit
enthält,
die in Übereinstimmung
mit der Erfindung konstruiert ist.
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Hintergrund
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Vakuumejektoren,
die in Übereinstimmung
mit dem sogenannten Venturi-Prinzip arbeiten, sind im Stand der
Technik bekannt und werden verwendet, um einen Unterdruck, z.B.
in einem damit verbundenen Tank, zu erzeugen. Mit Vakuum ist in
diesem Zusammenhang der Zustand eines Gases gemeint, dessen Partikeldichte
geringer ist als die Partikeldichte der Atomsphäre an der Oberfläche der
Erde. Der Zustand des Gases kann ebenso als Vakuumzustand bezeichnet
werden, wenn sein Druck niedriger ist als der atmosphärische Druck
(DIN 28 400). Solche Ejektoren können
verwendet werden, um ein Vakuum zu erzeugen, das typisch 10 Kilopascal
(–0,9
Bar, 90 % Vakuum) erreichen kann.
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Wenn
solch ein Ejektor in einer Vakuumeinheit mit einem System gekoppelt
ist, das einen Tank enthält und
Leitungen für
komprimiert Luft zum Zweck der Erzeugung von sowohl Druckzuständen als
auch Vakuumzuständen,
wird normalerweise eine Menge von Hilfsmaterial benötigt, um
die Systemkomponenten aneinanderzupassen und zu koppeln. Ein herkömmlicher
Ejektor kann nicht in solchen Koppelsystemen verwendet werden, ohne
eine relativ große
Anzahl von zu sätzlichen
Vorrichtungen bereitzustellen, speziell in Bezug auf ein Vakuumtoilettensystem.
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Die
schwedische Patentschrift 502 345 C2 lehrt eine Vakuumeinheit, in
welcher alle gewünschten Funktionen
integriert wurden. Die Anzahl von Teilen und Kanälen oder Gängen, die in der Einheit enthalten sind,
ist jedoch relativ groß,
was zu unerwünschten
Produktionskosten führt.
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Aufgabe der
Erfindung
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Entsprechend
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehenden
Probleme zu eliminieren, indem eine Vakuumeinheit der Art bereitgestellt
wird, die in der Einleitung beschrieben wurde, die weniger Komponenten
und Gänge
als bekannte Vakuumeinheiten enthält.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Vakuumtoilettensystem
bereitzustellen, das solche eine Vakuumeinheit enthält.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf der Einsicht, dass die vorstehenden
Objekte mit einer Vakuumeinheit erreicht werden können, in
welcher ein Ejektor verwendet wird, um sowohl einen Überdruck
als auch einen Unterdruck zu erzeugen, indem jeweils eine Öffnung des
Auslasskanals des Ejektors blockiert wird.
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Folglich
enthält
eine erfindungsgemäße Vakuumeinheit
ein erstes Ventil, welches mit einer Quelle für komprimierte Luft verbunden
werden kann und welches eine geschlossene erste Position und eine
geöffnete zweite
Position hat, ein zweites Ventil, welches mit einer Quelle für komprimierte
Luft verbunden werden kann, einen Ejektor, der eine Einlassdüse, eine
Auslassdüse
und eine Vakuumöffnung
enthält
und der mit dem ersten Ventil über
die Einlassdüse
verbunden ist und mit einer ersten Verbindung der Vakuumeinheit über die
Vakuumöffnung
verbunden, und ein Kolbenventil, das einen ersten Einlass, einen
zweiten Einlass und einen Auslass enthält und das eine offene Position
hat, in welcher der Auslass mit dem ersten Einlass verbunden ist,
und eine geschlossene Position, in welcher der Auslass nicht mit
dem ersten Einlass und dem zweiten Einlass verbunden ist, und wobei
in dem Kolbenventil der erste Einlass mit der Ejektorauslassdüse verbunden
ist, der zweite Einlass mit dem zweiten Ventil verbunden ist, und
der Auslass mit einer zweiten Verbindung der Vakuumeinheit verbunden
ist, wobei die Einheit dadurch gekennzeichnet ist, dass das zweite
Ventil eine erste Position hat, in welcher der zweie Einlass des
Kolbenventils mit der Umgebung verbunden ist, und eine zweite Position,
in welcher der zweite Einlass des Kolbenventils mit der Quelle für komprimierte
Luft kommuniziert, wobei das Kolbenventil justiert ist in einer
geöffnet
Position mit dem zweiten Ventil in seiner ersten Position, wodurch,
wenn das erste Ventil geöffnet
ist, ein Unterdruck in der Vakuumöffnung erzeugt wird und das
Kolbenventil justiert ist in seiner geschlossenen Position mit dem
zweiten Ventil in der zweiten Position, wodurch ein Öffnen des
ersten Ventils einen Überdruck
in der Vakuumöffnung
erzeugt.
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Diese
Konstruktion stellt eine Vakuumeinheit bereit, die weniger Komponententeile
und Kanäle
oder Gänge
hat als frühere
Einheiten dieser Bauart.
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Die
Erfindung bezieht sich ebenso auf ein Vakuumtoilettensystem, das
eine Vakuumeinheit enthält.
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Andere
bevorzugte Ausführungsformen
werden aus den beigefügten
Ansprüchen
klar werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird nun detaillierter beschrieben werden
als Beispiel mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Vakuumtoilettensystems ist, das eine
erfindungsgemäße Vakuumeinheit
enthält;
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2 eine
Schnittansicht der Vakuumeinheit ist, die in 1 gezeigt
ist;
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3 ein
grundlegendes Diagramm der Vakuumeinheit in 1 ist; und
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4 ein
grundlegendes Diagramm des Toilettensystems ist, das in 1 gezeigt
wird.
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Beschreibung
der Ausführungsformen
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Es
wird nun eine bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vakuumeinheit
beschrieben werden und eines Toilettensystems, das eine Vakuumeinheit
enthält.
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Vakuumeinheit
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Die
Vakuumeinheit 2, welche in 1 gezeigt
wird und die im schematischen Diagramm von 2 veranschaulicht
wird, enthält
zwei Magnetventile 4 und 6, welche mit einer Quelle
für komprimierte
Luft 32 über einen
entsprechenden Einlass I1, I2 verbunden werden können; siehe 1 und 4.
Die dargestellte Ausführungsform
der Vakuumeinheit hat zwei Einlässe
für komprimierte
Luft, obwohl die zwei Magnetventile 4, 6 ebenso
mit einem gemeinsamen Einlass für
komprimierte Luft an der Vakuumeinheit verbunden sein könnten.
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Der
Betriebsmodus der Magnetventile wird nun mit Bezug auf 3 erklärt werden.
Das erste Magnetventil 4 ist ein sogenanntes 2/2-Ventil,
das eine erste nicht-betätigte Position
oder Modus hat, in welchem sein Einlass 4a und sein Auslass 4b nicht
miteinander kommunizieren, in anderen Worten das Ventil geschlossen
ist, und eine aktivierte zweite Position oder Modus, in welchem
der Einlass und der Auslass des Ventils miteinander kommunizieren,
d.h. das Ventil geöffnet
ist. Das erste Ventil steuert die Zufuhr von komprimierter Luft
zur Einlassdüse 10a eines
Ejektors 10.
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Das
zweite Magnetventil 6 ist ein sogenanntes 3/2-Ventil, das
eine nicht-aktivierte erste Position oder Modus hat, in welchem
ein erster Einlass 6a sich nicht in Kommunikation mit irgendeinem
Auslass befindet und ein Einlass/Auslass 6c sich in Kommunikation
mit Auslass 6b befindet, und eine aktivierte, zweite Position,
in welcher der Einlass 6a mit Einlass/Auslass 6c kommuniziert
und Auslass 6b weder mit Einlass 6a noch mit Einlass/Auslass 6c kommuniziert.
Der Einlass 6a kann mit einer Quelle für komprimierte Luft 32 verbunden werden,
und der Auslass 6b befindet sich in Kommunikation mit der
Atmosphäre,
welche die Vakuumeinheit 2 umgibt, beispielsweise mit der
Umgebungsluft, über
das Medium des dritten Auslasses U3 auf der Vakuumeinheit. Dieser
Auslass U3 kann mit dem Auslass U2 oder einer anderen äußeren Verbindung
verbunden werden, um ein geschlossenes System zu erhalten. Der Einlass/Auslass 6c ist
mit einem Kolbenventil 16 verbunden, das durch das zweite
Magnetventil 6 betätigt
wird, wie nachfolgend beschrieben.
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Wie
aus 2 klar wird, wenn Luft von der Einlassdüse 10a zu
einer Auslassdüse 10b strömt, wird ein
Vakuum im Inneren des Ejektors und in Einheiten, die in Kommunikation
mit diesem Raum über
eine Vakuumöffnung 10c stehen,
erzeugt.
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Wie
ebenso aus 2 klar wird, ist die Ejektoreinlassdüse 10a mit
dem ersten magnetischen Ventil 4 verbunden, und die Vakuumöffnung 10c befindet
sich in Kommunikation mit einer ersten Vakuumeinheitsverbindung
U1, welche bevorzugt mit einem Filterelement ausgestattet ist.
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Die
Ejektorauslassdüse 10b ist
mit einem ersten Einlass 16a des Kolbenventils 16 verbunden.
Ein Kolbenventilauslass 16c ist mit einer zweiten Vakuumeinheitsverbindung
U2 verbunden. Eine Lüftungsöffnung kann
mit der Verbindung U2 verbunden werden, um ein vollständig geschlossenes
System zu erhalten.
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Das
Kolbenventil 16 ist mit dem zweiten Magnetventil 6 über einen
zweiten Einlass 16b verbunden. Der Oberflächenbereich
des Kolbens 16, welcher dem Einlass 16a gegenüberliegt,
ist kleiner als der Oberflächenbereich,
der dem zweiten Einlass 16b gegenüberliegt. Folglich trachtet
der Kolben 16 danach, sich vom zweiten Einlass 16b in
Richtung des ersten Einlasses 16a zu bewegen, wenn die
zwei Einlässe 16a, 16b dem gleichen
Druck ausgesetzt sind, wodurch das Kolbenventil geschlossen wird.
In anderen Worten wird die Verbindung zwischen dem ersten Einlass 16a und
dem Auslass 16c blockiert.
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Der
Zustand des Kolbenventils oder sein Betriebsmodus wird deswegen
auf die folgende Weise reguliert. Der Zustand des Kolbenventils
ist undefiniert in Abwesenheit von Druck an den zwei Einlässen 16a, 16b. Dem
fehlt Bedeutung, weil dies implizieren würde, dass die Vakuumeinheit
nicht betrieben wird. Wenn der zweite Einlass 16b Druck
ausgesetzt wird, trachtet das Kolbenventil nach einem geschlossenen
Zustand, sogar wenn der erste Einlass 16a einem entsprechenden
Druckniveau ausgesetzt ist. Falls das zweite Magnetventil 4 dann
geöffnet
ist, wird ein Überdruck
im Ejektor 10 erzeugt, weil Luft, die durch die Ejektoreinlassdüse 10a abgegeben
wird, nicht in der Lage ist, durch die Ejektorauslassdüse 10b auszuströmen als
Ergebnis der Verbindung der Auslassdüse 10b mit der Verbindung
U2, die durch das Kolbenventil 16 blockiert ist. Andererseits,
falls das erste Magnetventil geschlossen ist, tritt ein Haltezustand
ein, in welchem erzeugter Druck im Ejektor 10 und damit
in der ersten Verbindung U1 im Wesentlichen konstant gehalten wird.
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Falls
schließlich
das erste Magnetventil geöffnet
ist und das zweite Magnetventil sich in der Position befindet, in
welcher der zweite Einlass 16b des Kolbenventils mit der
Umgebung kommuniziert, wird das Ventil dazu gezwungen, einen geöffneten
Zustand einzunehmen, in welchem Luft in der Lage ist, vom Ejektoreinlass 10a zum
Ejektorauslass 10b durchzutreten und von da durch das Kolbenventil 16 und
die zweite Verbindung U2. Als Ergebnis wird ein Unterdruck oder
Vakuum im Ejektor erzeugt, wodurch ein Vakuum in einem Behälter aufgebaut
werden kann, der mit der ersten Verbindung U1 gekoppelt ist.
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Das
Voranstehende wird durch die nachfolgende Wahrheitstabelle veranschaulicht:
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Ein
Drucksensor (nicht gezeigt) ist an einem Schlauch 38 angebracht,
der an der Verbindung U1 angebracht ist. Ein Signal wird vom Sensor
zu einer Steuerungseinheit (nicht gezeigt) geschickt, wenn ein Vakuum
gewünscht
wird in einem Tank, der mit der Vakuumeinheit über die Verbindung U1 verbunden
ist.
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Schließlich ist
ein Sicherheitsventil (nicht gezeigt) entweder mit dem Schlauch 38 oder
dem Tank 30 verbunden.
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Die
erfindungsgemäße Einheit 2 wird
bevorzugt aus Acetalharz (POM) spritzgegossen.
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System
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4 veranschaulicht
in Form eines Beispiels ein Vakuumtoilettensystem, das eine Toilette 20 enthält, die
von herkömmlicher
Art sein kann. Die Toilette 20 ist über ein Einlassventil 22 mit
einem drucksicheren Tank 30 verbunden für die Zwischenspeicherung von
Material, das die Toilette 20 verlässt. In der bevorzugten veranschaulichten
Ausführungsform
nimmt der Tank ungefähr
zwei Liter auf, obwohl er im normalen Betrieb mit nicht mehr als
2 dl von Spülwasser
gefüllt
ist.
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Das
System enthält
ebenso ein Sammelgefäß 26,
welches mit dem Tank 30 über ein Auslassventil 24 und
einer Auslassleitung 34 verbunden ist. Die Ventile 22, 24 werden
durch Ventileinstellvorrichtungen manövriert, die durch die Steuereinheit
gesteuert werden. Ein Wasserbehälter 28 ist
mit der Toilette 20 verbunden.
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Schließlich enthält das System
eine erfinderische Vakuumeinheit 2, welche durch eine Quelle
für komprimierte
Luft 32 angetrieben wird. Die Quelle 32 arbeitet
bevorzugt bei einem Druck im Bereich von 4 bis 8 Bar. Die erste
Verbindung U1 der Vakuumeinheit ist mit dem Drucktank 30 über einen
Gang 38 verbunden, die zweite Verbindung U2 ist mit dem
Auslassgang 34 über
eine Belüftungsröhre 36 verbunden,
und die dritte Verbindung U3 ist mit der Umgebungsatmosphäre verbunden.
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Betriebsmodus
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Der
Betriebsmodus der erfinderischen Vakuumeinheit wird nun mit Bezug
auf einen typischen Arbeitszyklus einer Einheit beschrieben werden,
die in dem Vakuumtoilettensystem verwendet wird, das hier lediglich als
Beispiel veranschaulicht wird.
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Ausgänglich gibt
es kein Vakuum im Tank 30. Die zwei Magnetventile befinden
sich in ihren ersten Positionen, d.h. die Quelle für komprimierte
Luft 32 ist nicht verbunden. Das erste Magnetventil 4 wird
aktiviert, z.B. mittels eines elektrischen Impulses, z.B. eines
24V-Gleichstromimpulses, der von einer elektrischen Stromquelle
(nicht gezeigt) abgegeben wird. Es wird sichergestellt, dass zur
gleichen Zeit das zweite Magnetventil 6 sich in seiner
ersten Position befindet, d.h. der zweite Einlass 16b des
Kolbenventils mit der Umgebung verbunden ist. Es wird folglich der
komprimierten Luft gestattet, von der Quelle für komprimierte Luft 32 durch das
erste Ventil durchzutreten und transversal durch den Ejektor 10 durchzuströmen aus
der kleineren Einlassdüse 10a zur
größeren Auslassdüse 10b und
ferner durch den Schlauch 36 und den Auslasskanal 34,
wo sie eine Reinigungsfunktion ausübt. Ein Vakuum wird im Ejektor 10 erzeugt
und damit zur gleichen Zeit ebenso im Tank 30.
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Die
Ventile 22 und 24 sind in diesem Stadium geschlossen.
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Der
Drucksensor sendet ein Signal, wenn das gewünschte Vakuum im Tank 30 erreicht
wurde. In diesem Stadium schließt
das erste Magnetventil 4 und aktiviert das zweite Magnetventil 6 praktisch
zur gleichen Zeit, so dass es bewirkt wird, dass das zweite Magnetventil
seine zweite Position oder Modus einnimmt. Die Vakuumeinheit 2 tritt
dadurch in ihren Haltemodus ein. Die Toilette kann nun gespült werden.
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Die
Vakuumtoilette kann auf diese Weise vorbereitet werden, während sie
auf ein Spülsignal
wartet, oder der Aufbau eines Vakuums kann als Reaktion eines Spülsignals
begonnen werden. Das Spülsignal
kann mit Hilfe eines Druckknopfes oder auf andere Art erzeugt werden,
z.B. mittels eines Schalters, der mit dem Toilettendeckel verbunden
ist. Wenn das Spülsignal
erhalten wurde und ein Vakuum im Tank 30 erzeugt wurde, wird
das Einlassventil 22 geöffnet,
wodurch es dem Vakuum, das im Tank 30 existiert, ermöglicht wird,
den Inhalt der Toilette durch Saugen in den Tank zu ziehen zusammen
mit Wasser aus dem Wasserbehälter 28,
welches in diesem Zustand des Prozesses bereits über Mittel (nicht gezeigt)
unter Druck gesetzt wurde, wobei das Wasser die Wände der
Toilette spülend
reinigt.
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Das
Einlassventil 22 schließt sich, wenn der Inhalt der
Toilette in den Tank 30 gesaugt wurde. Das erste Magnetventil 4 wird
dann aktiviert, so dass es einen Überdruck bewirkt, der erzeugt
wird als Ergebnis der komprimierten Luft, die durch den Ejektor 10 strömt und in
den Tank 30 durch den Schlauch 38. Der Ejektor 10 und
der Schlauch 38 werden auf diese Weise ebenso von unerwünschten
Partikeln gereinigt. Wenn Druck im Tank 30 aufgebaut wurde,
wird das erste Magnetventil 4 geschlossen, so dass die
Vakuumeinheit in ihren Haltezustand zurückkehrt. Das Auslassventil 24 wird
dann geöffnet,
wodurch der Inhalt des Tanks 30 in den Sammelbehälter 26 entleert
wird.
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Schließlich wird
das Auslassventil 24 geschlossen, bevorzugt auf zeitgesteuerte
Weise, während
die zwei Magnetventile zur gleichen Zeit deaktiviert werden, d.h.
bewirkt wird, dass die Ventile in ihrer jeweiligen ersten Positionen
zurückkehren.
Der Prozess kann dann wiederholt werden.
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Weil,
in Übereinstimmung
mit der Erfindung, das System bei vollem Druck auf dem Kolbenventil 16 arbeitet,
wird eine spezielle, zuverlässige
Konstruktion erhalten, weil das Risiko, dass der Kolben durch Schmutzpartikel
und ähnliches
blockiert wird, dadurch minimiert wird. Ferner macht die Abwesenheit
von Absperrventilen die Konstruktion sowohl billiger als auch zuverlässiger als
bekannte Vakuumeinheiten.
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Obwohl
eine bevorzugte Ausführungsform
einer erfinderischen Vakuumeinheit beschrieben wurde, wird verstanden
werden, dass diese Ausführungsform
in verschiedener Hinsicht verändert
werden kann innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche. Zum
Beispiel, obwohl der Ejektor der bevorzugten Ausführungsform
lediglich eine Einlassdüse
und lediglich eine Auslassdüse
aufweist, wird es verstanden werden, dass der Ejektor verschiedene
Einlass- und Auslassdüsen
enthalten kann. Dies würde
erlauben, dass eine größere Druckerzeugungskapazität erreicht
werden kann, wodurch die Zykluszeiten verkürzt werden.
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Obwohl
die Ventile 4 und 6 der Vakuumeinheit 2 als
Magnetventile beschrieben wurden, wird es durch den Fachmann auf
dem Gebiet verstanden werden, dass jedes geeignete Ventil verwendet
werden kann. Es wird ebenso verstanden wer den, dass der Drucksensor
und das Sicherheitsventil in der Vakuumeinheit integriert werden
können.
