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Die
Erfindung betrifft einen langhubigen Zylinder, der in verschiedenen
Vorrichtungen und Stellorganen verwendet wird, insbesondere in Antrieben oder
Ausrüstungen für die Arbeiten in Tiefen.
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Aus
der Lehr- und technischen Literatur, und ebenso aus Druckschriften,
zum Beispiel der
DE 100 38 734 sind
klassische Zylinder bekannt, die aus einem Körper oder
einer Hülse, einem Kolben, einem Stock, einem Hinterdeckel,
einem Vorderdeckel, einer Verdichtung als Ring oder als Manschette
bestehen. Oft werden ebenso wiederkehrende Feder verwendet. Dann
wird das Fluidum nur durch den Vorderdeckel geführt und
dann wird der Leerlauf unter der Wirkung dieser Feder erfüllt.
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Neben
vielen positiven Seiten sind folgende wesentlichen Mängel
bekannt:
- – Der hohe Fertigungswert;
- – Das Bedürfnis nach Kolbenringen oder Manschetten
für die Verhinderung der Überströmung (die
Abflüsse) der Flüssigkeit oder des Gases und der
Verschmutzung der Arbeitshöhlen des Zylinders;
- – Die besonderen Forderungen zur Sauberkeit des Fluidums;
- – Die niedrige Zuverlässigkeit und die kleine
Periode eines störungsfreien Betriebes;
- – Die öfter auftretenden Verkantungen des
Kolbens in den langhubigen Konstruktionen mit der Folge eines Ausfalles
des ganzen Mechanismuses.
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Für
die Erzielung eines langen Hubes, ist der metallische Zylinder teleskopartig
ausgebildet. Dabei sinkt die Dichtheit zwischen den einzelnen Abschnitten
des teleskopartig ausgebildeten Zylinders, was zu wesentlichen Mängeln
führt.
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Aus
der
US 4,860,639 ,
US 5,158,005 ,
US 5,067,390 ,
US 5,201,262 ,
DE 699 08 960 ,
WO 9962602 ,
DE 202 05 653 ,
DE 44 11 906 ,
DE 10 2004 015 629 sind Zylinder
aus elastischen Stoffen bekannt. Sie stellen die Hülle,
die den Fluidum unter dem Druck bis zu Rande gefüllt wird,
dar, wobei sich die notwendige Umstellung des Stockes auf Kosten der
elastischen Eigenschaften des Stoffes verwirklicht.
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Eine
solche Konstruktion schließt viele negative Seiten der
klassischen Zylinder aus. Jedoch treten neue negative Faktoren auf.
Eine Stammeigenschaft solcher Zylinder ist die Dehnung der elastischen
Hülle zu allen Seiten, d. h. nicht nur entlang der Achse,
sondern auch in die Quere in radialer Richtung. Es ist ein wesentlicher
Mangel für die langhubigen Zylinder.
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Für
die Beschränkung der radialen Erweiterung der elastischen
Sack-Hülle wird diese in den äusserlichen Körper
untergebracht. Dabei entsteht das Problem der Senkung der Reibung
zwischen dem Körper und dem Sack.
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Die
dabei übergebenen Bemühungen sind von den Festigkeiteingenschaften
des elastischen Stoffes beschränkt. Daher ist es hauptsächlich
eine Vorrichtung für niedrige Drücke.
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Aus
der
DE 9105061 und der
JP 57094105 sind Konstruktionen
von Zylindern für kleine Umstellungen in Form eines elastischen
Wellrohres bekannt, dessen Körper sich nicht ausdehnt und
aufgerichtet wird.
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Aus
der
DE 198 58 890 ist
der kolbenstangenlose Zylinder bekannt, dessen Kolben unter der Wirkung
des Fluidums geschoben wird. Die Wellrohre wirken auf den Kolben
hier nicht ein und werden für die Senkung der Verkantung
des Kolbens in der Hülse des Zylinders verwertet. Diese
Konstruktion löst das Hauptproblem des langen Hubes, der
obengenannt ist, nicht, und es ist ein wesentlicher Mangel der Erfindung.
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Aus
der
DE 103 45 587 ist
ein fluidischer Antrieb, bei dem die Hülse ein elastischer
Körper mit elastischen Ringbestandteilen ähnlich
einem Wellrohr ist, bekannt. Dieser Antrieb besitzt bei der Verwendung
für lange Hübe im zusammengelegten Zustand den
großen Umfang. Außerdem wird eine Stützoberfläche
gefordert, da die elastischen Ringbestandteile unmittelbar auf dem
Wellrohr gelegen sind. Dies ist ein wesentlicher Mangel der Konstruktion.
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Aus
der
US 2,324,173 ist
ein fluidischer Antrieb, der als Hülse elastische Faltenbälge
verwendet, bekannt, innerhalb deren sich in jeder Welle der feste
hohle konische Bestandteile, die das Zusammenlegen und die erhöhte
Haltbarkeit der Faltenbälge gewährleisten, befinden.
Doch fordert dieser Antrieb das genügend komplizierte System
der Auffüllung mit dem Fluidum und das Entleeren. Es verringert
die Schnelligkeit des Antriebes, besonders bei den langen Hüben
und der hohen Genauigkeit der Umstellung, zum Beispiel in Stellorganen
von Systemen und Automatiken der Gewinnung von Erdöl aus dem
Meer.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines fluidischen
langhubigen Zylinders ohne radiale Dehnungen, ohne negative Eigenschaften
in der Konstruktion, mit einer grossen Schnelligkeit, mit einer
hohen Zuverlässigkeit und Haltbarkeit, der in beliebigen
Bedingungen in der Umwelt und bei beliebigen Temperaturen arbeitet.
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Die
gestellte Aufgabe wird durch die Ansprüche 1 und 2 gelöst.
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Entsprechend
Anspruch 1 besteht der langhubige Zylinder aus der Hülse,
des Kolbens, des Stockes, des Vorderdeckels, des Hinterdeckels,
des Flansches, des Körpers. Dabei ist die Hülse
wie ein Faltenbalg konstruktiv ausgestaltet, wobei sich in jeder
Welle zumindest eine feste hohle Kegelbuchse befindet. Die Außenschicht
ist ein feiner niederelastischer Stoff, undurchdringlich für
das verwendete Fluidum.
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Wobei:
- – Der Körper ist eine wiederkehrende
Feder mit dem Winkel der Windung δ. Der Körper
ist zwischen dem Vorderdeckel und dem Hinterdeckel gelegen und ist
mit ihnen verbunden. Eine solche Konstruktion von Hülse
und Körper ermöglicht, gleichzeitig und mit der
identischen Geschwindigkeit zu schieben, was die Reibung zwischen
Hülse-Körper ausschließt. Dabei stört
der als Feder ausgebildete Körper das Zusammenlegen der Hülse
nicht.
- – Die Fläche der grossen Basis der Kegelbuchse ist
zu ihrer Längsachse auf den Winkel α geneigt, dabei
sind die Kegelbuchsen so gelegen, dass ihre Flächen mit
der grossen Basis identisch geneigt sind: alle nach rechts oder
alle nach links.
Die letzte Buchse kann kegelförmig
sein, kann aber auch andere geometrische Formen haben.
- – Die Fläche der Neigung der Windung des Körpers
kreuzt sich mit der Fläche der Neigung der grossen Basis
der Buchsen.
Die Neigungen der Flächen gewährleisten
die Unmöglichkeit des Einklemmens der Außenschicht der
Hülse bei ihrem Zusammenlegen. Auf solche Weise wird die
radiale Dehnung des Außenschichtes der Hülse noch
mehr begrenzt.
- – Der Kolben ist mit der letzten Buchse der Hülse hart
verbunden oder ist mit ihr einteilig ausgebildet.
- – Der Kolben ist mit dem Hinterdeckel des Zylinders
hart verbunden oder ist mit ihm einteilig ausgebildet.
- – Der Stock wird auf dem Kolben befestigt oder ist mit
ihm einteilig ausgebildet.
Dies bewirkt die synchrone Beweglichkeit
des Kolbens und des Stockes, was für den Antrieb des anzutreibenden
Mechanismus notwendig ist. Der anzutreibende Mechanismus kann weit
entfernt vom Generator des Fluidums, zum Beispiel der Ölpumpe,
gelegen sein. Es wird eine Reibung zwischen der Hülse und
dem Kolben ausgeschlossen. Es reduziert sich die Menge der Bauteile
und es wird die Zuverlässigkeit der Vorrichtung erhöht.
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Mit
der Erfindung wird ein Zylinder geschaffen, der praktisch keine
radiale und axiale Dehnung aufweist. Die Hülse ist dabei
wie ein Fernfaltenschlauch und der Körper als wiederkehrende
Feder aisgebildet.
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Entsprechend
Anspruch 2 ist zumindest eine kegelförmige Buchse mittels
der kleineren Basis mit dem jeweiligen Ende der Hülse,
d. h. dem Vorderdeckel oder dem Hinterdeckel, verbunden. Dadurch wird
der Druck auf den Einlass und auf den Auslass des Zylinders ausgeglichen.
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Die
gegebene Konstruktion des erfindungsgemäßen langhubigen
Zylinders ist vieler negativer Eigenschaften bekannter Vorrichtungen
beraubt, und unterscheidet sich dadurch, dass:
- – Der
Hub des Zylinders nicht beschränkt ist,
- – Der Zylinder sowohl bei hohem, als auch bei niedrigem
Druck arbeitet,
- – Die Reibung zwischen den Bauteilen praktisch fehlt,
- – Es ist keine kostspielige mechanische Bearbeitung
nötig,
- – Die hohe Zuverlässigkeit und die Haltbarkeit werden
nur von den verwendeten Materialien begrenzt.
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Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles in den 1 und 2 ausführlich erklärt.
Es zeigt
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1 einen
langhubigen Zylinder in Anfangslage und
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2 einen
langhubigen Zylinder in Ausgangslage.
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Der
langhubige Zylinder besteht aus der Hülse (1),
dem Kolben (2), dem Stock (3), dem Vorderdeckel
(4), dem Hinterdeckel (5), dem Flansch (6) und
dem Körper (7).
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Die
Hülse (
1), ist wie ein Faltenbalg (siehe
US 2,324,173 ) ausgebildet.
Die Hülse (
1) stellt eine Reihenfolge der Wellen
dar, wobei jede Welle aus zwei Halbwellen besteht und wobei die
eine Halbwelle hart und die andere Halbwelle elastisch ist. Die harte
Halbwelle besteht aus äusserlichen (
10) und inneren
(
11) Schichten, und die elastische Halbwelle besteht nur
aus einer Außenschicht (
10).
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Die
Außenschicht (10) der Hülsen (1)
ist aus einem feinen, haltbaren, niederelastischen Stoff, undurchdringlich
für den verwendeten Fluidum erfüllt.
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Die
Innenschicht (11) besteht aus harten und haltbaren kegelförmigen
Buchsen, die mit der Außenschicht (10) zu einem
einheitlichen Ganzen verbunden sind. Die Buchsen (11) erstrecken
sich über die ganze Länge der Hülse (1).
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Die
Fläche der grossen Basis jeder Buchse (11) ist
zur Längsachse der Hülse (1) um den Winkel α geneigt.
Dabei sind die Buchsen (11) so gelegen, dass die Flächen
der grossen Basis identisch geneigt sind: alle nach rechts oder
allen nach links. Die Bedeutung des Winkels α hängt
vom Druck im Zylinder und den Eigenschaften des Stoffes der Aussenschicht
(10) ab.
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Die
erste und die letzte Buchse (12) sind so aufgestellt, dass
die erste und die letzte Buchse (12) mittels der kleineren
Basis, wie in den Figuren dargestellt, mit dem jeweiligen Ende der
Hülse (1), d. h. dem Vorderdeckel (4)
und dem Hinterdeckel (5) verbunden ist. Es ist aber auch
möglich, dass die kleinere Basis zumindest einer Buchse
(12) aus der Hülse (1) hinausragt. Die
letzte Buchse (12) kann auch anders ausgebildet sein. Beispielsweise
kann sie mit dem Kolben (2) und dem Stock (3)
einteilig sein.
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Die
Außenschicht (10) ist schlauchförmig ausgebildet.
Für besonders lange Zylinder oder für Zylinder
aus verschiedenen Materialien von Außenschicht (10)
und Buchse (11) bietet sich an, wenn beispielsweise die
Außenschicht aus einem gewebehaltigen Gummi und die Buchse
aus einem Plast besteht. Dabei kann die Außenschicht (10)
auch aus Abschnitten bestehen, die auf die Ränder der Buchse (11)
aufgesteckt sind. Dabei wird sich die Außenschicht (10)
zwischen den Buchsen (11) ausrichten und die Seitenflächen
der Buchse werden ohne Außenschicht bleiben.
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Die
Außenschicht (10) kann eine Bewehrung, z. B. ein
Netz, für die Verstärkung der Hülse (1) aufweisen.
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Der
Kolben (2) ist mit der letzten Buchse (12) der
Hülse (1) und dem Hinterdeckel des Zylinders (5) hart
verbunden oder kann auch einteilig mit diesen ausgebildet sein.
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Der
Stock (3) wird am Kolben (2) befestigt oder ist
mit ihm einteilig.
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Der
Vorderdeckel (4) und die erste Buchse der Hülse
(1) sind mit dem Flansch (6) haltbar und dicht
verbunden, oder sind mit ihm einteilig ausgebildet.
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Durch
den Einlass (8) im Flansch (6) wird in die Hülse
(1) ein entsprechendes Fluidum eingegeben. Durch den Auslass
(9) im Flansch (6) wird das Fluidum aus der Hülse
(1) abgeführt.
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Der
Körper (7) ist als wiederkehrende Feder mit dem
Winkel der Windung δ ausgebildet, die mit Vorderdeckel
(4) einerseits und dem Hinterdeckel des Zylinders (5)
andererseits verbunden ist. In der Ausgangslage ist die Feder zusammengepresst,
und bei dem Arbeitshub dehnt sie sich aus. Die Fläche der
Neigung (Linie A) der Windung des Körpers (7) kreuzt
sich mit der Fläche der Neigung (Linie B) der grossen Basis
der Buchsen (11).
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Der
langhubige Zylinder wird in das Stellorgan so eingebaut, dass der
Vorderdeckel (4) ein unbewegliches Teil der Vorrichtung
ist. Der Kolben (2), der Stock (3), der Hinterdeckel
(5) zusammen mit der Hülse (1) sind bewegliche
Teile des Zylinders.
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Der
Vorderdeckel (4) wird an den Flansch der Leitung des Fluidums,
in dem gegebenen Stellorgan verwendet wird, angeschlossen. Unter
der Wirkung des Fluidums geschieht die Umstellung der Hülse
(1). Der Körper (7) verbunden mit dem
Vorderdeckel (4) dehnt sich unter der Wirkung der Hülse
(1) gleichzeitig mit ihr und mit solcher Geschwindigkeit aus.
Der nicht dargestellte Manipulator des Stellorganes, z. B. die Zahnstange
oder die Klinke, wird zum Stock (3) herangezogen.
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Eine
Besonderheit der Konstruktion ist die Fähigkeit der Hülse
(1), sich unter der Wirkung des Druckes des Fluidums auszudehnen
und unter der Wirkung der Feder – Körpers (7)
nach der Abnahme des Druckes zusammenzulegen.
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Das
Zusammenlegen wird dadurch gewährleistet, dass die Buchsen
(11) kegelförmig oder tellerförmig sind
und über die Eigenschaft verfügen, eine in die
andere gelegt zu werden. Dabei legt sich die Außenschicht
(10) mit den Buchsen (11) zusammen und liegt damit
zwischen den Buchsen oder ordnet sich nach Art einer „Spitze"
oder „Halskrause" vorzugsweise ausserhalb der Buchsen an.
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Das
Dehnen der Hülse (1), d. h. eigentlich die Umstellung
des Kolbens (2), wird damit gewährleistet, dass
die Buchsen (11) aus der zusammengelegten Lage unter der
Wirkung des Druckes des Fluidums leicht herauskommen. Dabei dehnt
sich der als Feder ausgebildete Körper (7) aus.
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Im
Flansch (6) gibt es Ventile, mittels derer der Einlass
(8) und der Auslass (9) gesperrt oder geöffnet
werden.
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Der
Arbeitszyklus des Zylinders besteht aus: Umstellung des Stockes
(3) aus der Anfangslage in die Endlage, Verbleiben in dieser
Endlage für eine bestimmte Zeit und Rückfahren
in die Anfangslage.
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In
der Ausgangslage hat die Hülse (1) die minimale
Länge: der Körper (7) befindet sich in
der normalen Lage, d. h. ist zusammengepresst, und die Hülse
(1) entsprechend (1) zusammengelegt. Der
Stock (3) befindet sich in der Anfangslage.
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Am
Anfang des Arbeitszyklus
- – ist der
Einlass (8) geöffnet,
- – ist der Auslass (9) geschlossen.
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Das
Fluidum wird unter Druck in die Hülse (1) eingegeben,
und dabei wird die Hülse (1) entlang ihrer Längsachse
des Körpers (7) verlängert (2). Dabei
erfüllt der Stock (3) seine Arbeitsfunktion.
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Am
Ende der Umstellung drückt die Hülse (1) auf
einen nicht dargestellten Endschalter, so dass das Einbringen des
Fluidums gestoppt wird. Das Ventil verändert seine Stellung:
Einlass und Auslass (8 und 9) sind geschlossen.
In dieser Lage verbleibt der Zylinder eine gewisse Zeit. Dann wird
der Auslass (9) geöffnet und der Einlass (8)
bleibt geschlossen.
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Der
Druck in der Hülse (1) wird weniger, so dass der
Körper (7) zusammengepresst und gleichzeitig die
Hülse (1) zusammengelegt wird. Dabeit treten die
Buchsen (11) eine in die andere ein und ziehen hinter sich
die Außenschicht (10) fest. Das Fluidum tritt
in die Atmosphäre oder in einen Behälter mit normalem
Druck aus dem Zylinder heraus. Dies geschieht solange, bis der langhubige
Zylinder seine Ausgangslage erreicht hat.
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Der
Arbeitszyklus wird mit der notwendigen Geschwindigkeit praktisch
ohne zeitliche Einschränkung wiederholt. Dabei ist eine
Verwendung in jeder beliebigen Umgebung und bei jeder beliebigen
Temperatur, bei entsprechender Auswahl an geeigneten Materialien
des Zylinders und des Fluidums möglich.
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Die
Erfindung ist nicht auf das oben erwähnte Ausführungsbeispiel
beschränkt. Es sind verschiedene Modifikationen und Veränderungen
möglich.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen langhubigen Zylinder bereit,
bei dem die negativen Eigenschaften von Zylindern aus festen und
elastischen Stoffen fehlen.
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- 1
- Hülse
- 2
- Kolben
- 3
- Stock
- 4
- Vorderdeckel
- 5
- Hinterdeckel
- 6
- Flansch
- 7
- Körper
- 8
- Einlass
(Eingangsöffnung)
- 9
- Auslass
(Austrittsöffnung)
- 10
- Außenschicht
- 11
- Buchse
- 12
- Buchse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10038734 [0002]
- - US 4860639 [0005]
- - US 5158005 [0005]
- - US 5067390 [0005]
- - US 5201262 [0005]
- - DE 69908960 [0005]
- - WO 9962602 [0005]
- - DE 20205653 [0005]
- - DE 4411906 [0005]
- - DE 102004015629 [0005]
- - DE 9105061 [0009]
- - JP 57094105 [0009]
- - DE 19858890 [0010]
- - DE 10345587 [0011]
- - US 2324173 [0012, 0024]