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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Fördervorrichtung zum Fördern
von Medien mit einer Rohrleitung aus mindestens zwei Rohrabschnitten
und mindestens einem Rohrgelenk, das die beiden Rohrabschnitte miteinander
verbindet, wobei das Rohrgelenk aus mindestens einem Rohrsegment
gebildet wird, dessen Stirnflächen zueinander um einen
Winkel, der kleiner als 90° ist, geneigt sind, und mit
den beiden an seine Stirnflächen anschließenden
Rohrabschnitten jeweils eine gelenkige Verbindung ausbildet, deren
Drehachse im wesentlichen normal auf die jeweilige Stirnfläche
des Rohrgelenkes steht.
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Ein
derartiger Gegenstand ist aus einer im technischen Gebiet von Düsentriebwerken
angesiedelten Druckschrift, der
US 2,933,891 A , bekannt. Es handelt sich dabei
um eine aktive Rohrleitung, d. h. eine Rohrleitung die einen eigenen,
unmittelbar auf die Rohrsegmente einwirkenden Antrieb aus einem Zahnrad
und einem Zahnring aufweist. Dieser bewirkt eine Verdrehung eines
ersten Rohrsegments gegenüber einem stationären
Rohr. Durch einen speziellen Übertragungsmechanismus, wieder
aus Zahnrädern und Zahnringen bestehend, zwischen dem ersten
Rohrsegment und einem zweiten Rohrsegment wird durch die Verdrehung
des ersten Rohrsegmentes gegenüber dem stationären
Rohr auch die Relativstellung zwischen erstem und zweitem Rohrsegment
bestimmt. Somit ist der Endpunkt der kinematischen Kette „straight
forward" bestimmbar. Bei der Düsenrohranordnung der
US 2,933,891 A muss
der Antrieb direkt auf das Rohrsystem wirken, weil ansonsten keine
der dargestellten Stellungen durchfahren werden könnte,
handelt es sich dabei doch ausschließlich um singuläre
Stellungen. Die offenbarte Düsenrohr-Anordnung stellt somit
eine einfache Vorwärtskinematik dar. Dies bedeutet, dass
die verschiedenen Stellungen des Endeffektors, also des Endpunktes
der kinematischen Kette, aus der Orientierung der Gelenke bzw. den
Gelenkwinkeln berechnet werden können. Es kann zwar sein,
dass bei Vorwärtskinematiken anfänglich mehrere
Ausgangsparameter zu spezifizieren sind, jedoch ist sie einfach und
gut kontrollierbar zu berechnen. Für die Förderung
von schweren und pastösen Medien, wie Beton sind die Rohrsegmente
der Düsentriebwerke grundsätzlich nicht geeignet.
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Es
ist aus der
US 2,933,891
A offensichtlich, dass der unmittelbare Antrieb der Rohrleitung
nur Probleme schafft und nicht geeignet ist, z. B. in einem (Beton-)Ausleger verwendet
zu werden. Dies zunächst deswegen, weil an jedem Gelenk
ein eigener Antrieb vorgesehen werden müsste und zusätzliche Mittel
wie Zahnräder/Zahnstangen für die Relativbewegung
der anderen Rohrsegmente erforderlich wären (die Vielzahl
an Antrieben müsste darüber hinaus entsprechend
synchronisiert werden). Dies erfordert bei einem Ausleger nicht
nur irrsinnigen Kostenaufwand, sondern schwächt die Rohrleitung
dahingehend, dass das Fördergut das komplizierte System von
Antriebs- und Übertragungsmechanismen verunreinigen und
schlussendlich verstopfen kann und dies zu einem übermäßigen
Verschleiß, schlimmstenfalls zu einem Blockieren des Antriebes
führt. Hinzu kommt noch, dass derartige, unmittelbar auf
ein Rohrsegment einwirkende Antriebe nicht geeignet sind, die in
den Rohrleitungen befindlichen schweren Massen zu verschwenken.
Dies kann höchstens für die leichten Verbrennungsgase
funktionieren, jedoch auch hier schwachen Verunreinigungen (Verbrennungsrückstände)
den Antriebsmechanismus.
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In
einem gänzlich anderen Gebiet des Standes der Technik werden
Vorrichtungen zum Fördern von Beton von einem Betonmischwagen
an jene Stelle, an der der Beton gerade benötigt wird,
beschrieben. Mit dem Ausleger, der sich üblicherweise auf
einem gesonderten Auslegerfahrzeug befindet, wird das Material über
vertikale und/oder horizontale Distanzen befördert. Der
Ausleger selbst besteht aus mehreren Armen, die untereinander um
eine Schwenkachse verdrehbar verbunden sind und auf engsten Raum
zusammengefaltet werden können. Die Rohre, die den Beton
fordern, müssen sich der jeweiligen Form des Auslegers
anpassen und besitzen zu diesem Zweck Rohrgelenke im Bereich der Schwenkachsen
des Auslegers.
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Gemäß der
DE 2752605 C2 besteht
ein derartiges Rohrgelenk aus zwei 90°-Rohrbögen,
die mit ihren einen Stirnflächen fest mit den Rohren verbunden
sind, mit ihren anderen Stirnflächen jedoch gegeneinander
verdrehbar sind, sodass zwischen den 90°-Rohrbögen
eine Drehachse entsteht, die mit der Schwenkachse der Arme des Auslegers
zusammenfällt.
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Eine
derartige Konstruktion besitzt jedoch enorme Nachteile: Die das
Rohrgelenk bildenden 90°-Rohrbögen verursachen
einen extrem hohen Fließwiderstand, weil sie das Fördergut
zweimal entlang einer starken Krümmung umlenken. Das gegen die Wände
des S-förmigen Kurvenverlaufs prallende Fördergut,
das im Fall von Beton noch dazu hohe Dichte aufweist, verursacht
hohen Verschleiß und erfordert oftmaliges Austauschen der
Rohrgelenke.
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Des
weiteren verursacht der ungünstige Kurvenverlauf durch
seine Umlenkung um zweimal 90° einen zusätzlichen
Weg, den das Material zwischen dem Materialreservoir, zum Beispiel
einem Betonmischfahrzeug, und seinem Verwendungsort zurücklegen
muss. Als unmittelbare Folge muss der Ausleger bzw. die Stützkonstruktion
zur Aufnahme dieser zusätzlichen Masse dimensioniert sein,
da das in den Rohrbögen befindliche Material zu einem nicht
unwesentlichen Teil zur Gesamtmasse beiträgt. Dies belastet
wiederum die Struktur des Auslegers und erfordert eine massive und
stabile Konstruktion.
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Ein
weiterer Nachteil besteht darin, dass zwischen der Schwenkachse
des Auslegers und der Drehachse des Rohrgelenks absolute Deckung
vorliegen muss, um ein Auseinanderbrechen der beiden Rohrabschnitte
zu verhindern. In jedem Fall ist mit der Zeit ein Auswergeln zu
beobachten, das zusätzlich zum Verschleiß der
Konstruktion beiträgt.
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Aus
einem anderen Gebiet der Technik sind Roboter bekannt, deren Handachse
mehrere gegeneinander verschwenkbare Glieder aufweisen. Die zwischen
den Gliedern angeordneten Gelenke werden unmittelbar durch einen
vor Ort befindlichen Antrieb angetrieben, d. h. es handelt sich
hier um aktive Gelenksverbindungen. Im Inneren der Arme verlaufen
Schläuche, insbesondere für elektrische Leitungen.
An die Verbindungen zwischen den einzelnen Gliedern wird kein Wert
auf Dichtigkeit gelegt, da die leichten Leitungen ohnedies innerhalb
von im Inneren der Glieder verlaufenden flexiblen durchgehenden
Schläuchen angeordnet sind, die sich der jeweiligen Orientierung
der Glieder zueinander anpassen. Für einen großen
Förderquerschnitt und das Befordern schwerer Medien, wie
Beton, sind diese Roboter nicht ausgelegt.
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Aus
einem gänzlich anderen Gebiet der Technik sind zum Schutz
von Kabelleitungen sogenannte Gliederrohre aus Kunststoff bekannt,
die aus einer Vielzahl gleichartiger Rohrsegmente zusammengesetzt
sind. Die Form dieser Rohrsegmente bildet einen Teil einer Kugeloberfläche
nach, auf der der Endbereich eines benachbarten Segmentes gelagert ist,
wodurch eine Art Kugelgelenk entsteht. Ein derartiges Gliederrohr
wird beispielsweise in der
EP
1 388 700 A1 offenbart.
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Derartige
Gliederrohre sind zum Fördern von Materialien, insbesondere
Materialien hoher Dichte, völlig ungeeignet, nicht zuletzt
weil die erforderliche mechanische Stabilität fehlt. Zum
einen können sie die Anforderungen an die Dichtigkeit nicht
erfüllen, zum anderen würde das Material die gelenkige
Verbindung in kürzester Zeit durch Verstopfen außer
Gefecht setzen und infolge der durch die spezielle Form der Kugellagerung
verursachte ständige Querschnittswechsel im Verlauf des
Rohres werden ein stark erhöhter Strömungswiderstand
und kaum Möglichkeiten zur Reinigung zu erwarten sein.
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Es
besteht somit der Bedarf an einer Rohrleitung, bei der der Strömungswiderstand
auch bei einem Verschwenken von zwei Rohrabschnitten gering gehalten
werden kann, bei der ein wesentlich geringerer Verschleiß im
Rohrgelenk auftritt und bei der ein Verspannen der Rohrleitung mit
einer Trägerkonstruktion beim Verschwenken um eine oder
mehrere Schwenkachsen unterbunden werden kann. Zusätzlich
soll die während des Transportes des Materials zu einem
bestimmten Zeitpunkt von der Fördereinrichtung getragene
Masse im Hinblick auf den Stand der Technik vermindert werden. Weiterhin
soll die einfache Reinigung und einfaches Wechseln der Rohrgelenke
gewährleistet sein.
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Insbesondere
bestehen die zu erreichenden Ziele darin,
- – eine
Fördervorrichtung für Ausleger mit gegeneinander
verschwenkbaren Auslegerarmen bereitzustellen,
- – eine Fördereinrichtung zu schaffen, die
auch über lange (horizontale und vertikale) Distanzen führen
kann,
- – auch schwere Medien, wie z. B. Beton, fördern kann,
- – trotz der schweren Medien einen zuverlässige Positionierung
der Rohrleitung, insbesondere ihres Endes zu gewährleisten,
- – den Verschleiß im Rohrgelenk zu vermindern, und
- – einfache Reinigung und Austausch der Rohrgelenke
zu gewährleisten.
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Diese
Ziele werden mit einer Fördervorrichtung der eingangs genannten
Art dadurch erreicht, dass die Rohrleitung von einem Ausleger getragen wird
und die an das Rohrgelenk anschließenden Rohrabschnitte
jeweils von einem Arm des Auslegers entlang ihrer Längserstreckung
getragen werden und die Arme gegeneinander verschwenkbar sind und dass
der Ausleger angetrieben und die Rohrleitung passiv ist, wobei die
Orientierung des Rohrsegments relativ zu den Rohrabschnitten und
gegebenenfalls zu weiteren Rohrsegmenten durch die Bewegung der Arme
zueinander erzwungen ist.
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Die
Fördervorrichtung weist somit einen Antrieb auf, der unmittelbar
auf die Arme des Auslegers wirkt, während die Rohrleitung
passiv ist und von den Armen gehalten wird. Mit der erfindungsgemäßen Fördervorrichtung
können starke Umlenkungen des Förderguts im Bereich
des Rohrgelenkes verhindert werden. Dies wirkt sich positiv auf
den Strömungswiderstand aus und verkürzt die Förderstrecke.
Gleichzeitig wird das Verschwenken in alle Raumrichtungen – falls
erforderlich – gewährleistet. Rohrabschnitt wird im
folgenden jeweils als Überbegriff für Rohre, Rohrteile,
Rohrsegmente, Zwischenrohe, usw. verwendet.
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Eine
erfindungsgemäße Fördereinrichtung lässt
sich dadurch verwirklichen, dass die gegeneinander verschwenkbaren
Rohre jeweils auf einem Arm eines Auslegers fixiert werden. Die
vorgesehenen Gelenke ermöglichen es, dass sich die Rohrsegmente
von alleine einstellen, wenn der angetriebene Ausleger verschwenkt
bzw. bewegt wird.
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Bei
der erfindungsgemäßen Ausgestaltung stoßen
die Stirnflächen der Rohre bzw. Rohrsegmente parallel gegeneinander,
gegebenenfalls zwischen sich eine Dichtung einschließend.
Die Enden weisen dabei jeweils im wesentlichen kreisförmigen
Querschnitt auf, sodass ein Drehgelenk, an der Stelle, an der zwei
Rohr(segment)e bzw. Rohrabschnitte einander gegenüberstehen,
gebildet werden kann. Die Drehachse des Drehgelenks steht naturgemäß im wesentlichen
normal zur Stirnfläche.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Rohrgelenk aus mindestens
zwei, jeweils mit ihren Stirnflächen aneinanderstoßenden
Rohrsegmenten gebildet, wobei jeweils die Stirnflächen
zumindest eines Rohrsegmentes, vorzugsweise zweier Rohrsegmente,
zueinander um einen Winkel, der kleiner als 90° ist, geneigt
sind, und bilden die Rohrsegmente untereinander und mit den jeweils
anschließenden Rohrabschnitten jeweils eine gelenkige Verbindung aus,
deren Drehachse im wesentlichen normal auf die zur gelenkigen Verbindung
gehörige Stirnfläche eines Rohrsegmentes steht.
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Aneinanderstoßen
bedeutet in diesem Zusammenhang nicht, dass sich die beiden Stirnflächen benachbarter
Rohrabschnitte berühren müssen. Es ist durchaus
denkbar und bevorzugt, dass ein kleiner Spalt oder eine Dichtung
zwischen den parallel zueinander orientierten Stirnflächen
vorgesehen ist.
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Im
Gegensatz zum Stand der Technik wird das Verschwenken der beiden
Rohre und die damit verbundene Ausrichtung der gelenkigen Rohrverbindung
auf mehrere Drehgelenke, nämlich mindestens drei, verteilt.
Diese eröffnen durch die gegenseitige Orientierung der
einzelnen Drehachsen Freiheitsgrade, die zu einem Verschwenken der
beiden Rohre notwendig sind.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die an das Rohgelenk
anschließenden Rohrabschnitte jeweils auf einem Arm des
Auslegers befestigt, wobei die Arme gegeneinander verschwenkbar sind.
Die Rohrleitung für sich betrachtet stellt ein passives
System dar, während der Ausleger das aktive System darstellt,
das auch angetrieben wird.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Arme des Auslegers um eine
Schwenkachse gegeneinander verschwenkbar und sämtliche
Drehachsen eines Rohrgelenks zur Schwenkachse geneigt.
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Der
große Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die beiden
zu verbindenden Rohre nach wie vor um eine Schwenkachse gegeneinander
verschwenkbar sind, dass aber die Drehachsen zwischen den einzelnen
Rohrsegmenten und zwischen je einem Rohrsegment und einem Rohr nicht
mehr mit dieser Schwenkachse zusammenfallen. Während im
Stand der Technik die Förderrichtung im Bereich des Rohrgelenkes
so orientiert werden musste, dass eine mit der Schwenkachse der
Rohre zusammenfallende Drehachse zwischen den beiden 90°-Rohrbögen
entsteht, geht die vorliegende Erfindung mit einer wesentlich geringeren
Umlenkung im Bereich des Gelenkes einher.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Drehachse der zwischen zwei
Rohrsegmenten ausgebildeten gelenkigen Verbindung in einem ihrer Freiheitsgrade
gebunden.
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Durch
diese Maßnahme kann eine singuläre Stellung, in
der die Rohrsegmente bezüglich der Rohre unendlich viele
Lagen einnehmen können, durchfahren werden. Das Festlegen
eines Freiheitsgrades gewährleistet, dass in der singulären
Stellung die Rohrsegmente nur eine einzige Lage annehmen können,
aus der die singuläre Stellung wieder verlassen werden
kann.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist zur Bindung des einen
Freiheitsgrades ein Führungsteil vorgesehen, der zumindest
mit einem der beiden Rohrsegmente verbunden ist und mit einer Führung
zusammenwirkt, die an einem der beiden Arme angeordnet ist. Mit
dieser Maßnahme lässt sich die Bindung des einen
Freiheitsgrades besonders effizient und einfach verwirklichen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die an das Rohrgelenk
grenzende Stirnfläche zumindest eines Rohrabschnittes zu
einer auf die Längsachse des Rohrabschnittes normalstehende Ebene
geneigt. Durch diese Maßnahme kann von vornherein verhindert
werden, dass bei der Verschwenkung der beiden durch das Rohrgelenk
verbundenen Rohre eine singuläre Stelle überhaupt
angefahren wird.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung weist die gelenkige Verbindung zwischen
zwei Rohrabschnitten eine Schelle auf, die die einander gegenüberstehenden
Stirnflächen zweier Rohrabschnitte zusammenhält
und zumindest gegenüber einem Rohrabschnitt verdrehbar
ist. Dies stellt eine besonders zuverlässige, einfach zu
lösende und kostengünstige Gelenkverbindung dar.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Schelle mit zumindest einem
Rohrabschnitt über ein Kugellager verbunden. Dies verringert
den Drehwiderstand und gewährleisten die passive Bewegung der
einzelnen Rohrabschnitte der Rohrleitung.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist/sind das/die Rohrsegment(e)
in Form eines Rohrbogens ausgebildet. Dies kann ein runder Rohrbogen
sein oder ein durch mehrere zusammengeschweißte Rohrelemente
mit jeweils zueinander gekippten Achsen gebildeter Rohrbogen sein.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist/sind das/die Rohrsegment(e)
in Form eines schräg zur Rohrachse abgeschnittenen Rohres
ausgebildet. In diesem Fall ist der Querschnitt des Rohres nicht
konstant, sodass sich beim Abschrägen des Rohres eine im
wesentlichen kreisförmige Öffnung bzw. Stirnfläche
ergibt.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Stirnflächen eines
Rohrsegmentes zueinander um einen Winkel, der kleiner als 70°,
vorzugsweise kleiner als 50° ist, geneigt. Die sich daraus
ergebenden kleinen Keilwinkel erleichtern die Bewegung der Rohrabschnitte
gegeneinander und sorgen für geringere Umlenkungen des
Fördergutes.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung schneiden die zu einem Rohrgelenk
gehörigen Drehachsen einander in einem Punkt. Dadurch wird
eine Art Kugelgelenk geschaffen, wodurch ein Verspannen mit einer
Auslegerkonstruktion verhindert wird.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung sind in der Rohrleitung zwei Rohrgelenke
mit jeweils mindestens zwei Rohrsegmenten vorgesehen und sind zwischen
den Rohrgelenken mindestens zwei Rohrabschnitte vorgesehen, die
in bezug aufeinander mindestens einen Freiheitsgrad aufweisen. Dadurch können
zwei Rohre auch um 180° gegeneinander verschwenkt werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein Freiheitsgrad zwischen den
beiden Rohrabschnitten verwirklicht, indem die beiden Rohrabschnitte
gegeneinander entlang ihrer Rohrachsen verschiebbar sind.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein Freiheitsgrad zwischen den
beiden Rohrabschnitten verwirklicht, indem die beiden Rohrabschnitte
gegeneinander um eine Drehachse verdrehbar sind, die zu den Rohrachsen
der Rohrabschnitte geneigt ist.
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Die
oben erwähnten Aufgaben werden auch mit einem Fahrzeug,
beispielsweise einem gesondert dafür vorgesehenen Auslegerfahrzeug
oder einem Fahrzeug mit zusätzlich integriertem Auslegerkran, mit
einer der oben beschriebenen Fördervorrichtung gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Fördereinrichtung eignet
sich zur Förderung beliebiger Medien. Zu diesen zählen
sowohl gasförmige, flüssige, pastöse
und feste Stoffe. Als Beispiele seien erwähnt: nasser Beton,
Mörtel, Wasser, (Klär-)Schlamm, alle Arten von körnigem
Gut, Getreide, Mehl, Sand, Zement, usw. Die Förderung kann
je nach Medium durch einen pneumatischen oder hydraulischen Antrieb
erfolgen, z. B. durch Einblasen von Druckluft oder Verwendung einer
hydraulischen Pumpe, oder – wo dies möglich ist – schlichtweg
durch Schwerkraft.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher
erläutert. Dabei zeigt
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die 1 eine
erfindungsgemäße Rohrleitung mit zwei Rohrsegmenten
in mehreren Darstellungen mit unterschiedlichem Verschwenkwinkel,
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die 2 dieselben
Verschwenkwinkel wie in 1, jedoch aus einer Perspektive
normal zur Schwenkachse,
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die 3 eine
perspektivische Ansicht in zwei Verschwenkwinkeln,
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die 4 eine
perspektivische Ansicht in zwei weiteren Schwenkwinkeln,
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die 5 bis 8 in
verschiedenen Ansichten und Schwenkwinkeln eine Ausführungsform mit
zwei erfindungsgemäßen Gelenken,
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die 9 eine
schematische Darstellung der kinematischen Eigenschaften einer Ausführungsform,
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die 10 bis 12a in verschiedenen Ansichten und Schwenkwinkeln
eine Ausführungsform mit zwei erfindungsgemäßen
Gelenken von einem Ausleger getragen,
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die 13 Detailansicht
einer gelenkigen Verbindung zwischen zwei Rohrabschnitten,
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die 14 bis 16 eine
Ausführungsform mit Führung,
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die 17 bis 20 ein
erfindungsgemäßes Rohrgelenk mit drei Rohrsegmenten,
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die 21 bis 24 einen
Endabschnitt einer Rohrleitung mit erfindungsgemäßem
Rohrgelenk in verschiedenen Schwenkwinkeln,
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die 25, 26, 27 und 28 die für
die Erfindung grundlegende Erkenntnis,
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Die 29 und 30 Varianten
eines Rohrsegmentes.
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Die
für die Erfindung grundlegende Erkenntnis lässt
sich anhand der 25, 26, 27 und 28 und
folgender Überlegungen verdeutlichen. Ein um seine Rohrachse 63a drehbar
gelagertes Rohr 63 wird um eine normal zur Rohrachse 63a stehende
Schwenkachse 60 innerhalb einer Schwenkebene 65 verschwenkt.
Die Schwenkebene 65 bezeichnet jene Ebene, in der die Rohrachsen
in jeder beliebigen Schwenkposition liegen. Die Schwenkachse 60 steht
in den 25, 26, 27 normal zur
Zeichenebene. An einem Ende ist das Rohr 63 abgeschrägt,
d. h. seine Stirnfläche 63b liegt in einer zur
Rohrachse 63a schrägen Ebene. Gefordert wird, dass
diese Stirnfläche zu jedem Zeitpunkt der Bewegung an einer
Funktionsebene 61 anliegt, z. B. gebildet durch eine ebene
Platte. Die Funktionsebene 61 ist drehbar um eine Drehachse 62,
die in der Funktionsebene 61 und gleichzeitig auch in der
Schwenkebene liegt.
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Durch
das Verschwenken des Rohres 63 um eine Schwenkachse 60 und
aufgrund der Forderung, dass die Stirnfläche 63a des
Rohres ständig an der Funktionsebene 61 anliegen
soll, erfährt das Rohr 63 ein Drehmoment um seine
Rohrachse 63a. Diese Randbedingungen erzwingen eine Drehung
des Rohres um die Rohrachse 63a und eine entsprechende
Einstellung der Funktionsebene 61. Dies bedeutet aber auch,
dass ausschließlich die Schwenkachse 60, um die
das Rohr innerhalb der Schwenkebene 65 verschwenkt wird,
angetrieben werden muss. Alle anderen Bewegungen werden als Folge davon
automatisch erzwungen und erfolgen entsprechend den gegebenen Freiheitsgraden.
Ein zweites Rohr 64 auf der anderen Seite der Funktionsebene erfährt
ebenfalls eine Drehung um seine Rohrachse, wobei die Drehrichtung
zum ersten Rohr 62 entgegengesetzt ist, wie die an den
Rohren angebrachten Markierungslinien und die Bewegungspfeile um
die Drehachsen verdeutlichen.
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Ausgehend
von einer geneigten Stellung in 25 gehen
die Rohre in eine fluchtende Stellung über (26).
In dieser Stellung kehrt sich die Drehbewegung der Funktionsebene
wieder um und erreicht bei nach unten geneigten Rohren die Stellung der 27.
Die 28 zeigt die drei Stellungen von oben. Dieses
Prinzip lasst sich selbstverständlich verallgemeinern und
liefert eine Vielzahl von Ausführungsformen, die nachfolgend
beschrieben werden.
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1 zeigt
zwei, gegeneinander um eine Schwenkachse 100 verschwenkbare
Rohrabschnitte 1 und 2. Die Schwenkachse 100 steht
in 1 normal zur Zeichenebene. Die Rohrabschnitte 1 und 2 werden
durch zwei Rohrsegmente 3 und 4 miteinander verbunden.
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Die
beiden Stirnflächen eines Rohrsegments – also
jene Ebenen, in denen jeweils eine Rohrsegmentöffnung liegt – sind
zueinander geneigt. Zur Veranschaulichung wird auf die 29 und 30 verwiesen,
in der die beiden Stirnflächen eines Rohrsegmentes mit 3c und 3d bezeichnet
sind und der Winkel, um den die beiden Stirnflächen gegeneinander geneigt
sind, mit α. Der Winkel α ist ein spitzer Winkel,
also kleiner als 90°. Dies bedeutet, dass das Fördergut
innerhalb eines Rohrsegmentes nicht mehr als um einen Winkel von < 90° umgelenkt
wird. Um die Umlenkung weiter zu verringern, sind Werte für α von < 70°, besonders
bevorzugt < 50° vorgesehen.
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29 zeigt
eine Variante eines geraden Rohrsegmentes 3 mit schräg
geschnittener Stirnfläche 3c, während 30 eine
Variante in Form eines Rohrbogens zeigt. Um die Dichtheit der Rohrleitung zu
gewährleisten, weisen beide Öffnungen eines Rohrsegments
bzw. Rohrabschnittes im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt
auf. Wie später noch näher erläutert
stehen an der Verbindungsstelle die Stirnflächen zweier
benachbarter Rohrabschnitte einander im wesentlichen parallel gegenüber,
wobei gegebenenfalls ein kleiner Spalt oder eine elastische Dichtung
zwischen den Stirnflächen vorgesehen ist, um das Verdrehen
zu erleichtern.
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In
der Ebene 11 stoßen die einen Stirnflächen
der Rohrsegmente mit jeweils kreisförmigem Querschnitt
aneinander und sind an dieser Stelle gelenkig miteinander verbunden,
wodurch sich die auf die Ebene 11 normal stehende Drehachse 102 ergibt. Die
in der Ebene 11 zusammenstoßenden Stirnflächen
der Rohrsegmente 3, 4 sind jeweils zu der dazugehörigen
Rohrsegmentachse 3a bzw. 4a geneigt. Zwischen
den Stirnflächen kann zum Zwecke der Förderung
flüssiger oder gasförmiger Medien eine Dichtung
vorgesehen sein.
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Am
jeweils anderen Ende sind die Rohrsegmente 3, 4 jeweils
mit einem Rohr 1, 2 verbunden. Die Enden mit kreisförmigem
Querschnitt stoßen in der Ebene 10 bzw. 12 wiederum
aneinander und bilden jeweils ein Drehgelenk um die Drehachse 101 bzw.
die Drehachse 103 aus. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
fallen die Rohrachsen 1a, 2a der Rohre 1, 2 jeweils
mit den Drehachsen 101, 103 zusammen.
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Ausgehend
von der ersten Position in 1, in der
die beiden Rohre 1, 2 fluchtend orientiert sind, beginnen
sich die beiden Rohre zunehmend zu verschwenken. Die beiden Rohre 1, 2 bzw.
deren Längsachsen 1a, 2a bleiben während
des gesamten Schwenkvorganges in derselben Ebene (in 1 ist dies
die Zeichenebene), was durch die erfindungsgemäßen
Rohrsegmente 3, 4 und die drei Drehgelenke ermöglicht
wird. Während des Schwenkvorganges der beiden Rohre 1, 2 um
die Schwenkachse 100 verdrehen sich die beiden Rohrsegmente 3, 4 gegeneinander,
wie durch die jeweilige Position der Markierungslinien 3b und 4b angedeutet
wird. Eine entsprechende Ausgleichsdrehung erfolgt zwischen jeweiligem
Rohrsegment und Rohr.
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2 zeigt
dieselbe Rohrleitung in denselben Schwenkpositionen wie 1,
jedoch aus einer Richtung normal zur Schwenkachse 100 der
beiden Rohre. Ein einzelnes Rohrsegment muss sowohl in der Ebene 11 als
auch in der Ebene 10 bzw. 12 einen im wesentlichen
kreisförmigen Querschnitt aufweisen, um in dieser Ebene
ein Drehgelenk ausbilden zu können und dabei die Dichtheit
der Rohrleitung zu gewährleisten. Mehrere Maßnahmen,
um dies zu erreichen sind möglich.
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Eine
Möglichkeit besteht darin, das Rohrsegment als leicht gekrümmten
Rohrbogen auszubilden, sodass die beiden Stirnflächen zwar
zueinander geneigt sind, aber jeweils kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
In diesem Fall kann das Rohrsegment entlang seiner Erstreckung im
wesentlichen konstanten Querschnitt aufweisen. Eine weitere Möglichkeit besteht
darin ein Rohrsegment mit über seine Länge veränderlichem
Querschnitt bereitzustellen. Ausgehend von kreisförmigem
Querschnitt an einem Ende kann der Querschnitt kontinuierlich in
elliptischen Querschnitt übergehen. Ein entsprechender
Schnitt schräg zur Rohrsegmentachse ergibt folglich eine kreisrunde
Kontur der Stirnfläche.
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3 und 4 zeigen
die in 1 und 2 dargestellten Schwenkpositionen
in perspektivischer Darstellung. Die lediglich zum Verständnis der
Erfindung eingezeichneten Markierungslinien 3b und 4b zeigen
deutlich die relative Verdrehung der beiden Rohrsegmente 3, 4 zueinander.
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5 zeigt
eine besonders bevorzugte Ausführungsform in Art eines
Doppelgelenks, bei der die beiden Rohre 1, 2 durch
zwei erfindungsgemäße Rohrgelenke miteinander
verbunden sind. Zwischen den beiden Rohrgelenken 34, 34' sind
weitere Rohrsegmente 5 und 6 zwischengeschaltet,
die gegeneinander um eine Drehachse 105 verschwenkbar sind. Die
Drehachse 105 ist gegenüber den Rohrachsen 5a, 6a der
beiden Rohrsegmente 5, 6 geneigt, sodass eine
Drehung um diese Achse zu einem Gegeneinander-Verkippen der Zwischensegmente
führt. Diese Achse bleibt in den Fig. unverdreht, ergibt
jedoch einen weiteren Freiheitsgrad und ermöglicht eine
Längsverschiebung der Rohre 1, 2 auch
in gestreckter Position der Rohrleitung, d. h. wenn die Rohre 1, 2 in
fluchtender Position sind.
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Diese
besondere Ausführungsform erlaubt es, die beiden Rohre 1, 2 auch
in eine zueinander parallele Position zu bringen (untere Darstellung
von 6) und genügt daher dem Erfordernis,
dass ein eine Förderleitung tragender Ausleger auf möglichst knappem
Raum zusammenfaltbar sein sollte. 6 zeigt
zwei weitere Verschwenkwinkel in Fortsetzung der 5. 7 und 8 zeigen
dieselbe Anordnung in perspektivischer Darstellung.
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9 veranschaulicht
diese Ausführungsform, indem sie nur mehr auf das allgemeine
kinematische System abstellt. Die beiden Rohrgelenke 34, 34' entsprechen
kinematisch einem Kugelgelenk, wenn, wie in 1 dargestellt,
jeweils alle drei Drehachsen 101, 102, 103 eines
Gelenkes im wesentlichen in einem Punkt schneiden. Dies entspricht
drei offenen rotatorischen Freiheitsgraden und ergibt somit kinematisch
die Funktion einer Kugel. In Serie zum ersten Kugelgelenk ist eine
weitere Kugel (wiederum gebildet durch die drei Drehachsen zwischen Rohrsegmenten
bzw. Rohr) geschaltet mit ebenfalls drei rotatorischen Freiheitsgraden.
Zwischen den Kugeln 34, 34' befindet sich eine
Drehachse 105, wodurch eine Ausführung mit sieben
offenen Freiheitsgraden geschaffen wird, die ohne Schiebegelenk auskommt.
Die zwischen den Kugeln angeordnete Drehachse 105 darf
mit der Verbindungslinie der beiden Kugeln jedoch nicht deckend
sein. Durch diese zusätzliche Drehachse 105 kann
auch in „gestreckter Lage" der beiden Rohre 1, 2 eine
Längsverschiebung erzielt werden.
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Selbstverständlich
kann anstelle eines Drehgelenkes 105 auch eine Schiebegelenk
vorgesehen sein, das ein teleskopartiges Verschieben der Rohrabschnitte 5 und 6 entlang
ihrer Rohrachsen 5a, 6a ermöglicht.
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10, 11, 12 und 12a zeigen eine erfindungsgemäße
Rohrleitung, die auf einem Ausleger 20 angeordnet ist.
Es wurden dabei dieselben Bezugszeichen wie in den vorangegangenen Fig.
verwendet. Zusätzlich sind die miteinander verbundenen
und gegeneinander verschwenkbaren Arme 21, 22, 23 eines
Auslegers 20 dargestellt. Die Arme 21, 22, 23 sind
gegeneinander jeweils um Drehachsen 201 bzw. 202 gegeneinander
verschwenkbar.
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Anders
als in der dargestellten Ausführungsform ist es selbstverständlich
möglich, dass zwei miteinander verbundene Arme des Auslegers
nicht nur einen rotatorischen Freiheitsgrad zueinander besitzen,
sondern mehrere. Während der Ausleger unmittelbar von einem
Antrieb angetrieben wird, beispielsweise durch hydraulisch betätigte
Zylinder-Kolben-Einheiten, ist die Rohrleitung an sich ein völlig passives
System, das sich der momentanen Position und Ausrichtung des Auslegers
anpasst.
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Das
erste Rohr 1 ist am Arm 21, das zweite Rohr 2 ist
am Arm 22 fixiert, vorzugsweise jeweils durch Halterungen 24 fest
verbunden, während die zwischen den Rohren geschalteten
Rohrsegmente, die u. a. die Rohrgelenke 34, 34' aufbauen
bezüglich des Auslegers frei beweglich sind. Die zwischen
zwei Rohrgelenken vorgesehen Zwischenstücke 5 und 6 sind
auf dem mittleren Arm 23 angeordnet, jedoch nur in einem
Freiheitsgrad bezüglich des Armes festgelegt. So sind in
der dargestellten Ausführungsform die Rohrabschnitte 5 und 6 bezüglich
des Armes 23 verdrehbar und seitlich und entlang ihrer
Achsen verschiebbar. Dies kann beispielsweise durch Halterungen 25 in
Form von Langlöchern, die z. B. in einer Blechscheibe vorgesehen
sind, erreicht werden, wobei die Rohrabschnitte 5, 6 durch
die Langlöcher geführt sind. Eine Bewegung nach
oben bzw. unten, also in der Schwenkebene, wird durch die kürzere Abmessung
des Langloches verhindert.
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13 zeigt
ein Beispiel einer gelenkigen Verbindung zwischen zwei Rohrsegmenten 3, 4 im Detail.
Eine Verbindung derselben Art kann zwischen Rohrsegment und Rohr
vorgesehen sein. Wie im dargestellten Beispiel kann ein einzelnes
Rohrsegment aus mehreren Teilen zusammengeschweißt sein,
um eine Art Rohrbogen zu erzielen bzw. um zu gewährleisten,
dass die beiden Stirnflächen eines Rohrsegmentes zueinander
geneigt sind. Die Enden zweier benachbarter Rohrsegmente 3, 4 stoßen
mit ihren Stirnflächen aufeinander. Ein kleiner Spalt zwischen den
Stirnflächen kann vorgesehen sein, um die Verdrehung zu
erleichtern oder den Raum für eine Dichtung (nicht dargestellt)
zu schaffen. Zu diesem Zweck kann an den Stirnflächen eine
umlaufende Nut vorhanden sein, in die die Dichtung eingelegt wird.
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Die
Endabschnitte bzw. die Achsen der Endabschnitte der zusammenstoßenden
Rohrsegmente sind fluchtend und bilden zusammen mit einem verbindenden
Lager 40 ein Gelenk, das eine Verdrehung der beiden Rohrsegmente
um eine Drehachse 102 ermöglicht. Ein Kugellager 41 besteht
aus einem Stahlring und darin geführten Kugeln. Das Kugellager 41 wird
durch in Nuten fixierten Sicherheitsringen 42 in seiner
Position gehalten. Ein Abstandsring 43 sorgt zusätzlich
dafür, dass die Kugellager 41 in ihrer Position
bleiben. Umschlossen wird das Lager von zwei Ringen 44,
die in Form einer Schelle das Lager umschließen und fixieren.
Die die Schelle bildenden Ringe 44 werden bei der Montage
in die entsprechende Position gebracht und zur dauerhaften Fixierung
des Gelenkes, vorzugsweise durch Verschrauben oder durch Verspannen,
miteinander fest verbunden.
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Die
detaillierte Ausbildung dieser gelenkigen Verbindung ist in den 1 bis 13 nicht
dargestellt, um die Lesbarkeit nicht zu beeinträchtigen
und das Prinzip zu verdeutlichen. Im Übrigen können auch
andere Arten von Gelenken eingesetzt werden. In jedem Fall kommen
zwei aneinanderstoßende Stirnflächen im wesentlichen
parallel zueinander zu liegen, wobei sich eine Drehachse ausbildet,
die normal auf die Stirnflächen steht.
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14, 15 und 16 zeigen
eine Variante, mit der nachfolgend beschriebenes Problem gelöst
werden kann. Je nach Orientierung und beabsichtigtem Schwenkwinkel
kann es vorkommen, dass eine sogenannte singuläre Stellung
erreicht wird. In 1 ist die erste Darstellung
ganz oben eine derartige singuläre Stellung, bei der die
Rohrachsen der beiden das Rohrgelenk aufbauenden Rohrsegmente 3, 4,
miteinander fluchten. Bei einer anderen Form der Rohrsegmente, z.
B. bei bogenförmigen Rohrsegmenten ist für die
singuläre Stellung ausschlaggebend, dass die beiden äußeren
Drehgelenke bzw. Drehachsen 101 und 103 miteinander
fluchten. In dieser Lage können die Rohrsegmente unendlich viele
Stellungen einnehmen. Jedoch ist für das Erreichen der
Folgestellungen, z. B. jene aus 1 notwendig,
dass sich die Rohrsegmente in der singulären Lage in einer
ganz bestimmten Lage befinden. Wären z. B. die Rohrsegmente 3, 4 in
der ersten Darstellung von 1 nicht
in der gezeigten Lage, sondern um einen bestimmten Winkel gegenüber
den Rohren 1, 2 verdreht, könnte die
darunter dargestellte Folgestellung nicht mehr erreicht werden.
Dazu wäre zunächst notwendig in einem ersten Schritt
die Rohrsegmente in die richtige Lage zu verschwenken und in einem
zweiten Schritt die Rohre 1 und 2 gegeneinander
um die Achse 100 zu verschwenken. Da es während
des Betriebes beim Durchfahren der singulären Stellung
durch Vibrationen und Stöße zu einer sprunghaften
Verdrehung der Rohrsegmente kommen kann, die das Anfahren einer
Folgestellung verhindert, sind entsprechende zusätzliche
Maßnahmen erforderlich.
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Etwas
anders formuliert ist die 0° Stellung singulär,
d. h. bei entsprechender Lage des Mittellagers ist jede Stellung
der Randlager korrekt. Diese Lage kann aber nur verlassen werden,
wenn die Randlager eine bestimmte einzigartige Stellung einnehmen.
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Eine
Lösung dieses Problems besteht darin, bei der gelenkigen
Verbindung zwischen den beiden Rohrsegmenten 3, 4 einen
Führungsring 50 einzusetzen. Dieser ist gegenüber
beiden Rohrsegmenten verdrehbar und zwar ebenfalls um die Drehachse. Dieser
Führungsring 50 wird nun derart mit dem Ausleger 20 bzw.
einem Arm 21 des Auslegers gekoppelt, dass ein Freiheitsgrand
gebunden bzw. eingefroren wird. In den 14, 15, 16 ist
dieser Führungsring 50 dargestellt, der einen
zeigerförmigen Fortsatz 51 trägt, der
in eine Führung 52 eingreift, die den Zeiger 51 in
einer Ebene festlegt. Im dargestellten Beispiel besteht die Führung 52 aus zwei
zueinander parallelen Platten mit gebogenem Ausschnitt. Die Führung
ist an jenem Arm 21 des Auslegers 20 befestigt,
an dem auch ein Rohr fixiert ist, wobei die durch die Führung
definierte Ebene im wesentlichen parallel zu der Grenzfläche 10 steht,
an der das am Arm 21 befestigte Rohr 1 mit dem
Rohrsegment 3 aneinander stoßt. Durch diese Maßnahme
kann die singuläre Stellung durchfahren werden, ohne dass
die Rohranordnung in dieser Position hält und die Ausleger-Rohrkonstruktion
verspannt.
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Anstelle
des Führungsringes können grundsätzlich
auch andere Maßnahmen getroffen werden, um die Drehachse 102 zwischen
den Rohrsegmenten 3, 4 bezüglich eines
der Ausleger in einer Dimension festzulegen.
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Ein
weiteres Element der Erfindung, das für sich gesehen eine
Ausführungsform darstellt, besteht darin, dass die Endabschnitte 1', 2' der
zu verbindenden Rohre 1, 2 zum Hauptabschnitt
der Rohre leicht geneigt sind, d. h. die Rohrachse des Endabschnittes 1', 2' ist
zur Rohrachse 1a, 2a des Hauptabschnittes verkippt.
Dadurch wird erreicht, dass zumindest eine Drehachse 101, 103 zwischen
einem Rohr 1, 2 und einem Rohrsegment 3, 4 zum
Hauptabschnitt des Rohres bzw. dem Verlauf des Armes 21, 22 des
Auslegers 20 geneigt ist. Diese Maßnahme verhindert nämlich
von vornherein ein Erreichen der singulären Stellung. Darüber
hinaus wird ein stetiger Keilwinkel geschaffen, der die Schwenkbewegung
des Auslegers in ein die Reibung überwindendes Drehmoment umsetzt.
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Das
Merkmal der geneigten Endabschnitte kann alleine oder in Kombination
mit dem oben beschriebenen Führungsring (14, 15, 16) verwirklicht
werden.
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Die 17, 18, 19, 20 zeigen eine
weitere Variante, bei der ein erfindungsgemäßes Rohrgelenk
zwischen zwei Rohren 1, 2 aus drei Rohrsegmenten 3, 4, 7 besteht.
Wie im vorangegangenen Beispiel weisen die Rohre 1, 2 geneigte
Endabschnitte 1', 2' auf. Der Übersichtlichkeit
halber ist der Ausleger nicht dargestellt, jedoch ist auch bei diesem
Beispiel davon auszugehen, dass die Rohre 1 und 2 jeweils
auf einem Arm eines Auslegers befestigt sind. In 20 ist
nur die Schwenkachse 200 eingezeichnet, um die zwei miteinander
verbundene Arme des Auslegers gegeneinander verschwenkbar sind.
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Aus 20 geht
mm hervor, dass die Drehachsen 101 (zwischen erstem Rohr 1 und
erstem Segment 3), 102 (zwischen erstem Segment
und zweitem Segment 4), 103 (zwischen zweitem
Segment 4 und drittem Segment 7) und 107 (zwischen drittem
Segment 7 und zweitem Rohr 2) allesamt zur Schwenkachse 200 geneigt
sind. Die Rohrsegmente 3, 4, 7 zeichnen
sich wiederum dadurch aus, dass jeweils die beiden Stirnflächen
eines Rohrsegmentes zueinander geneigt sind. Das mittlere Rohrsegment 4 kann
in dieser Ausführungsform auch die Eigenschaft aufweisen,
dass seine Stirnflächen um 90° oder mehr als 90° geneigt
sind. Hingegen sind die Rohrsegmente 3 und 7 so
ausgebildet, dass jeweils ihre Stirnflächen einen Winkel
von weniger als 90° einschließen.
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Die 21, 22, 23, 24 zeigen in
verschiedenen Verschwenkwinkeln eine weitere Ausführungsform
der Erfindung, bei der nur eines der beiden Rohre am Ausleger 20 fixiert
ist, während das Ende des Rohrleitung, in der Darstellung
das Rohr 2 frei beweglich ist. Dies ist der Fall am Ende
einer Förderleitung, bei der ein frei bewegliches Ende
vorgesehen sein muss, um dem Arbeiter zu ermöglichen, das
Fördergut, z. B. den Beton, in eine bestimmte Richtung
zu lenken bzw. gezielt an einen bestimmten Ort zu richten. Um die
freie Beweglichkeit zu gewährleisten, müssen drei
freie rotatorische Freiheitsgrade gewährleistet sein. Dies
kann jedoch ebenfalls über ein erfindungsgemäßes
Rohrgelenk bewerkstelligt werden. In diesem Fall ist zumindest ein
Rohrsegment 3 zwischen den beiden Rohren 1, 2 vonnöten. Die
zwei gelenkigen Verbindungen gewährleisten ein Verschwenken
des Rohres in alle Richtungen.
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Dabei
sind wiederum die, beiden Stirnflächen 3c und 3d des
einzigen. Rohrsegmentes 3 zueinander geneigt. Die Drehachsen 102, 102 mit
den benachbarten Rohren 1, 2 stehen wiederum senkrecht
auf die am Gelenk beteiligte Stirnfläche und sind demnach
ebenfalls zueinander geneigt, wodurch drei rotatorische Freiheitsgrade
gegeben sind.
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Bei
der in den 21, 22, 23, 24 dargestellten
Ausführungsform ist es allerdings gemäß der
Erfindung auch möglich, dass die beiden Rohrabschnitte 1, 2 jeweils
von einem Arm des Auslegers getragen werden, wobei die Arme miteinander
verbunden und gegeneinander verschwenkbar sind. Die Arme sind dabei
mit einem Antrieb verbunden, der unmittelbar auf die Arme wirkt. Die
dadurch verursachte Relativbewegung der Arme zueinander wird, wie
auch bei allen anderen Ausführungsformen, auf die passive
Rohrleitung übertragen, die selbst keinen eigenen Antrieb
aufweist. Die Bewegung der Rohrabschnitte 1, 2 zueinander
ist demnach durch die Arme erzwungen.
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Die
Erfindung stellt somit eine Lösung für eine Förderleitung
zur Verfügung, bei der ausgehend von einem angetriebenen
Ausleger ein völlig passives, also keinen unmittelbaren
Antrieb aufweisendes Rohrsystem bzw. Rohrleitung mitbewegt wird.
Die einzelnen Rohrabschnitte besitzen relativ zum benachbarten Rohrabschnitt
bevorzugt nur einen Freiheitsgrad, nämlich eine Drehung
um eine Drehachse. Durch in Serie Schalten zweier oder mehrerer
derartiger gelenkiger Verbindungen mit jeweils nur einem Freiheitsgrad
können die für die erwünschte Relativ-Bewegung
zweier Rohre erforderlichen Freiheitsgrade geschaffen werden. Zum
Fördern wird ausschließlich die Rohrleitung verwendet,
d. h. das Fördergut steht während des Förderns
in unmittelbarem Kontakt mit den Rohrwänden der einzelnen
Rohrabschnitte, sodass die gelenkigen Verbindungen für das
zu fördernde Gut im wesentlichen dicht sein müssen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 2933891
A [0002, 0002, 0003]
- - DE 2752605 C2 [0005]
- - EP 1388700 A1 [0010]