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Die Erfindung betrifft einen Auftriebskörper zum Aufschwimmen auf einer Flüssigkeit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Derartige Auftriebskörper werden in vielen technischen Bereichen industriell angewendet, in denen sie speziellen Anforderungen genügen müssen. Beispielsweise werden in vielen Hydranten derartige Auftriebskörper zum Beispiel als Kugeln mit speziellem spezifischen Gewicht beziehungsweise spezieller Dichte sowie bestimmten Anforderungen an Druckfestigkeit, Oberflächenherde und Elastizität eingesetzt, wobei diese Eigenschaften an die jeweilige Flüssigkeit, auf die der Auftriebskörper beziehungsweise die Kugel aufschwimmen soll, angepasst werden. Im Falle eines Hydranten ist die Flüssigkeit, auf der der Auftriebskörper aufschwimmen muss in der Regel Wasser, welches eine Dichte von in etwa 1 kg pro Liter aufweist. In anderen technischen Anwendungsgebieten gelten besondere Anforderungen für die Materialqualität, sodass für bestimmte Parameter bei Zulassung für Einsätze in Anlagen und Geräten beispielsweise der Lebensmittelindustrie und bei Trinkwasseranwendungen, eingehalten werden müssen.
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Aus dem Stand der Technik sind heute eine Vielzahl von Kunststoffkugeln, welche als Auftriebskörper dienen, bekannt, die sich im Aufbau im Wesentlichen dadurch unterscheiden, dass sie entweder als Vollkugeln oder als Hohlkugeln ausgebildet sind. Im Fall von Hohlkugeln besteht dabei die Möglichkeit, dass sie aus einem festen aber hohlen Kugelmantel bestehen oder die Hohlkugel mit einem Innenaufbau aus Hohlkammern versehen sind.
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Derartige Auftriebskörper, entweder als Hohl- oder Vollkugel weisen jedoch bei gleichen Außenmaßen und bei gleichem Material unterschiedliches Gewicht und unterschiedliche Druckfestigkeiten auf. Dabei sind Vollkugeln zwar relativ einfach herzustellen, haben aber den entscheidenden Nachteil, dass die mechanischen und physikalischen Eigenschaften durch das verwendete Rohmaterial praktisch vorbestimmt und festgelegt sind.
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Hohlkugeln, die als Auftriebskörper verwendet werden, sind, zumindest was eine stabile und vor allem gleichmäßige Wandstärke angeht, nicht einfach herzustellen. Werden derartige Hohlkugeln beispielsweise durch ein Gasinnendruckverfahren hergestellt, muss dabei ein produktionsbedingtes Loch in Kauf genommen werden, welches durch einen zusätzlichen Produktionsschritt wieder beseitigt werden muss.
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Bei Hohlkugeln mit einem Innenaufbau ist es zwar möglich, eine sehr große Bandbreite für das spezifische Gewicht beziehungsweise die Dichte der Gesamtkugel und unterschiedliche Druckfestigkeiten einzustellen. Diese vorteilhafte Eigenschaft wird aber wieder dadurch kompensiert, dass bei der Produktion derartiger Kugeln ein deutlich höherer Produktionsaufwand betrieben werden muss. Derartige Kugeln werden nämlich häufig als Halbschalen mit innenliegenden Stegen oder wabenförmigen Versteifungen im Spritzgussverfahren gefertigt und anschließend verklebt oder verschweißt. Daher ist bei derartigen Hohlkugeln mit Innenaufbau noch eine Nachbearbeitung notwendig, damit die Fügenaht den Anforderungen in der jeweiligen Anwendung gerecht wird. Bei derartigen Hohlkugeln mit Innenaufbau bestimmen die Größe, die Anzahl und die Lage der Hohlräume die Eigenschaften der Kugeln maßgeblich mit.
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Durch diese Anforderungen an spezielle mechanische und physikalische Eigenschaften der Kugeln in bestimmten Anwendungsfällen, wie spezifisches Gewicht, Dichte, Druckfestigkeit, Elastizität und Oberflächenherde, können bisher häufig nur Hohlkugeln mit Innenaufbau zum Einsatz kommen. Neben den erwähnten deutlich höheren Produktionskosten sind auch hier noch aufwendigere und kostenintensivere Spritzgießwerkzeuge erforderlich.
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Auftriebskörper, die in ihrer Form variieren und einfach und wirtschaftlich herzustellen sind und die in ihren Eigenschaften variabel an die für die jeweilige Anwendung in ihren Anforderungen angepasst werden können, sind derzeit nicht bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen Auftriebskörper nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dahingehend weiter zu entwickeln, dass durch den gesamten Aufbau des Auftriebskörpers die Möglichkeit besteht, bei konstantem Volumen und daher gleichbleibender Form die Eigenschaften des Auftriebskörpers wie spezifisches Gewicht, Dichte, Oberflächenherde und Elastizität variabel an die Anforderungen in der jeweiligen Anwendung anzupassen.
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Ferner besteht eine weitere Aufgabe darin, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Auftriebskörpers zur Verfügung zu stellen.
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Vorrichtungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Auftriebskörper mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Verfahrensmäßig wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Der erfindungsgemäße Auftriebskörper zum Aufschwimmen einer Flüssigkeit mit der Dichte d0 besteht dabei im Wesentlichen aus einem Körperkern und einem, den Körperkern flüssigkeitsdicht umschließenden Körpermantel. Der gesamte Auftriebskörper weist dabei eine Gesamtdichte d auf, die geringer ist als die Dichte d0 der Flüssigkeit. Der Körperkern besteht dabei aus einem Material der Dichte d1 und der Körpermantel aus einem Material der Dichte d2. Sofern die Gesamtdichte d des Auftriebskörpers dabei immer noch geringer ist als die Dichte d0 der Flüssigkeit, können die Dichte d1 des Körperkerns und die Dichte d2 des Körpermantels auch gleich sein. Im Regelfall werden die Dichten d1 und d2 des Körperkerns beziehungsweise des Körpermantels jedoch unterschiedlich sein. Der Körpermantel weist zudem eine Außenfläche auf, welche das gesamte, den Auftrieb des Auftriebskörpers bestimmende Volumen umschließt. Der erfindungsgemäße Auftriebskörper zeichnet sich nun dadurch aus, dass das Material der Dichte d1 des Körperkerns wenigstens einen spritzgegossenen und gegebenenfalls aufgeschäumten Kunststoff enthält sowie einen durch den Körpermantel gebildeten, geschlossenen Hohlraum vollständig ausfüllt. Dabei enthält das Material der Dichte d2 des Körpermantels wenigstens einen porenfreien oder geschlossen porigen Kunststoff, der vorzugsweise spritzgegossen ist.
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Erfindungsgemäß ist die Form des Auftriebskörpers nicht festgelegt, sondern kann an die gewünschte Anwendung beziehungsweise dem Anwendungsraum in der entsprechenden Anwendung in einfacher Weise angepasst werden. Durch die unterschiedlichen Materialien für den Körperkern und den den Körperkern flüssigkeitsdicht umgebenden Körpermantel können die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Auftriebskörpers in einfacher Weise variiert und an die Erfordernisse der technischen Anwendung vor der Herstellung angepasst beziehungsweise eingestellt werden. Durch eine Kombination von unterschiedlich schweren, auch geschäumten Kunststoffen, mit ihren jeweils eigenen spezifischen Eigenschaften wie Elastizität, Dichte, Oberflächenherde und Druckfestigkeit kann daraus ein Auftriebskörper mit an die jeweilige Anwendung anpassten Eigenschaften für das Gesamtsystem realisiert werden. Der Körpermantel kann dabei natürlich nicht nur aus einer Schicht bestehen, sondern auch aus mehreren Schichten, schichtartig aufgebaut sein.
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Dabei zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines derartigen Auftriebskörpers dadurch aus, dass in einem ersten Verfahrensschritt der Körperkern hergestellt wird, der in einem weiteren Verfahrensschritt mit dem Körpermantel umgeben wird. Hierdurch ist es in einfacher Weise möglich, den erfindungsgemäßen Auftriebskörper durch ein herkömmliches Spritzgussverfahren herzustellen, ohne dass aufwendige Verfahren und Verfahrensschritte benutzt werden müssen, die ansonsten bei der Herstellung von Hohlkugeln, insbesondere Hohlkugeln mit Innenaufbau, Verwendung finden. Insbesondere können derartige Auftriebskörper dann derart hergestellt werden, dass auf der Oberfläche des Körpermantels keine, die jeweilige Anwendung gegebenenfalls negativ beeinflussende Kunststoffnaht auftritt. Allerdings ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, den Körperkern durch ein Spritzgussverfahren herzustellen. Vielmehr können auch andere Verfahren, dem Fachmann wohlbekannte Verfahren dazu verwendet werden.
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Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass während des ersten Verfahrensschrittes der Körperkern aus einem, einen aufgeschäumten Thermoplasten enthaltenen Material spritzgegossen und nachfolgend ausgehärtet wird.
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Der Körpermantel wird dann nachfolgend während des zweiten Verfahrensschrittes durch Umspritzen des ausgehärteten Körperkerns mit einem, einen Thermoplasten enthaltenen Material spritzgegossen, wobei der Körperkern dabei in einem entsprechenden Hohlraum, welcher der Form des herzustellenden Auftriebskörpers im Wesentlichen entspricht, ortsfest positioniert ist. Bei einem derartigen Herstellungsverfahren treten keine den Auftriebskörper vollständig umlaufende Kunststoffnähte auf, welche die Funktion des Auftriebskörpers im jeweiligen Anwendungsfall gegebenenfalls negativ beeinflussen könnten.
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Insbesondere ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, einen Auftriebskörper in einfacher Weise durch die unterschiedlichen Materialien von Körperkern und Körpermantel mit bestimmten spezifischen physikalischen und mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise Dichte, Gewicht, Oberflächenherde, Elastizität und Druckfestigkeit auszustatten. Hierdurch werden in entscheidender Weise die mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Auftriebskörpers festgelegt. In der Regel besteht dabei der Körpermantel aus einem Material beziehungsweise einem Materialmix, das ein anderes spezifisches Gewicht beziehungsweise eine andere Dichte aufweist, als das für den Körperkern verwendete Material. Die weiteren mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Ummantelungsmaterials können, müssen aber nicht vom Kernmaterial abweichen. Weiterhin können für die Herstellung des Kernmantels beliebige Kunststoffe mit und ohne Zusatzstoffe verwendet und auch miteinander kombiniert werden.
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Dabei hat es sich nach einem besonderen Gedanken der Erfindung als vorteilhaft herausgestellt, dass das Material der Dichte d1 des Körperkerns neben dem wenigstens einen aufgeschäumten Kunststoff wenigstens einen Zusatzstoff enthält, der ein oder mehrere Glasfasern, Kohlefasern, Schäummittel, Metallpulver oder -spähne, Keramikpulver oder dergleichen enthält. Durch derartige Zusatzstoffe können die spezifischen Eigenschaften des Körperkerns in entscheidender Weise beeinflusst und exakt eingestellt werden. Insbesondere kann dadurch die Dichte d1 des Körperkerns in einem breiten Spektrum variiert werden. Dabei kann der Anteil der Zusatzstoffe zwischen 0% und 75%, insbesondere zwischen 0% und 50% des Volumen- oder Gewichtsanteils des Körperkerns ausmachen.
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Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung ist dabei der wenigstens eine aufgeschäumte Kunststoff des Materials der Dichte d1 des Körperkerns ein Thermoplast, insbesondere ein Polyamid oder ein Polyolefin, insbesondere Polypropylen. Derartige Kunststoffe haben sich in allen möglichen Anwendungen, insbesondere hinsichtlich ihrer chemischen Beständigkeit besonders gut bewährt, sodass sie auch in sensiblen Anwendungsbereichen, beispielsweise der Lebensmittelindustrie oder bei Trinkwasseranwendungen Verwendung finden können. Da der Körperkern allerdings nicht mit der Flüssigkeit, auf dem der Auftriebskörper aufschwimmen soll, in Kontakt kommt, ist dies bei dem Körperkern weniger relevant als bei dem Körpermantel. Allerdings sollte in derartigen Anwendungsbereichen diese chemische Beständigkeit des Körperkerns trotzdem vorliegen, da auch Verletzungen des Körpermantels auftreten können, die dazu führen könnten, dass die Flüssigkeit mit dem Körperkern in Kontakt treten könnte.
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Jedoch ist aus dem vorgenannten Grund auch der wenigstens eine porenfreie oder geschlossenporige Kunststoff des Materials der Dichte d2 des Körpermantels ein Thermoplast, insbesondere ein Polyamid oder ein Polyolefin, insbesondere Polypropylen. Der Körpermantel kommt nämlich im Regelfall mit der Flüssigkeit im jeweiligen Anwendungsfall in Kontakt. Daher ist es hier insbesondere bei Anwendungen in der Lebensmittelindustrie oder bei Trinkwasseranwendungen wichtig, dass der Körpermantel chemisch inert bezüglich der Flüssigkeit ist, auf dem der Auftriebskörper aufschwimmen soll.
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Durch die Verwendung der vorgenannten Kunststoffe und der Zusatzstoffe ist es möglich, die Dichte des gesamten Auftriebskörpers derart einzustellen, dass sie je nach gewünschter Anwendung zwischen 0,35 kg/l und 3 kg/l, was etwas über der Dichte von Aluminium liegt, welches 2,7 kg/l als Dichte aufweist.
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Da derartige Auftriebskörper häufig als Verschlusselement für Flüssigkeiten im jeweiligen Anwendungsfall verwendet werden, ist es auch wesentlich, dass die verbindenden Stoffe, insbesondere Kunststoffe für den Körpermantel eine gewisse Elastizität aufweisen, sodass sie die entsprechende Dichtfunktion auch gewährleisten können. Ist nämlich die Oberfläche des Körpermantels zu hart, kann es vorkommen, dass, auch wenn noch eine separate Dichtung verwendet wird, Fremdpartikel oder Fehlfunktionen in der Dichtung eine Dichtheit im System verhindern. Sofern also der Körpermantel eine entsprechende Elastizität aufweist, kann dadurch noch eine derartige Undichtheit durch Fremdkörper oder Fehlfunktionen in der Dichtung in einem gewissen Grad ausgeglichen werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Auftriebskörper beziehungsweise der Körpermantel mit einem Kopplungselement versehen, mit dem der Auftriebskörper an eine, insbesondere mechanische oder auch elektrische beziehungsweise elektronische Schaltvorrichtung ankoppelbar ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Auftriebskörper nicht selbst eine Dichtfunktion wahrnimmt, sondern über eine mechanische Schaltvorrichtung eine derartige Dichtfunktion, die durch ein anderes Element realisiert wird, betätigt. Allerdings ist es auch möglich, dass dadurch andere Schaltvorgänge realisiert werden und nicht nur Leitungen abgedichtet werden. Denkbar ist hier insbesondere, dass durch eine derartige Schaltvorrichtung sich eine Flüssigkeitspumpe, welche die Flüssigkeit fördert, auf welcher der Auftriebskörper aufschwimmt, ab- und einschaltet.
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Obwohl der erfindungsgemäße Auftriebskörper in seiner Form variabel ist, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass der Auftriebskörper mit Ausnahme des Kopplungselementes um eine Rotationsachse und/oder spiegelsymmetrisch zu einer oder mehreren Spiegelebenen ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme ist nämlich gewährleistet, dass der Auftriebskörper in der entsprechenden Anwendung nicht exakt positioniert werden muss, sondern lediglich hinsichtlich der jeweiligen Symmetrie eine entsprechend ausgerichtete Positionierung erfolgen muss.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, den Auftriebskörper bis 10000000 Pa – entsprechend 100 bar – druckfest auszubilden. Hierdurch wird vermieden, dass der Auftriebskörper bei höheren Umgebungsdrücken während seines bestimmungsgemäßen Einsatzes kollabiert beziehungsweise zusammengedrückt wird. Insbesondere gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten und als Hohlkörper ausgebildeten Auftriebskörpern, die derartig hohen Drücken nicht mehr standhalten, bedeutet dies eine deutliche Erweiterung des Einsatzgebietes für erfindungsgemäße Auftriebskörper.
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es zeigen:
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1: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Auftriebskörpers in einer Seitenansicht,
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2: der Auftriebskörper gemäß der 1 in einer Schnittdarstellung und
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3: der Auftriebskörper gemäß den 1 und 2 in einer perspektivischen Darstellung.
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Die 1 bis 3 zeigen ein mögliches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Auftriebskörpers in verschiedenen Darstellungen. Dabei ist dieser Auftriebskörper in 1 in einer Seitenansicht dargestellt. Der Auftriebskörper weist dabei einen Körpermantel 2 auf, der mit einer Außenfläche 3 versehen ist. Der Auftriebskörper dieses Ausführungsbeispiels ist dabei rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse R und spiegelsymmetrisch zu einer Spiegelebene S1 ausgebildet. Dabei liegt die Rotationsachse R innerhalb der Spiegelebene S1. Mit Ausnahme eines Kopplungselementes 5 zum Ankoppeln an eine Schaltvorrichtung einer durch den Auftriebskörper zu schaltenden hier nicht dargestellten Schalteinrichtung, ist der Auftriebskörper auch spiegelsymmetrisch zu einer Spiegelebene S2 ausgebildet, welche senkrecht auf der Spiegelebene S1 steht.
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In der 2 ist der Auftriebskörper der 1 in einer Schnittdarstellung entlang der Schnittebene A-A dargestellt, welche identisch zu der Spiegelebene S1 ist. Wie daraus zu entnehmen ist, weist der Körpermantel 2 des Auftriebskörpers einen Hohlraum 4 auf, der durch einen Körperkern 1 des Auftriebskörpers vollständig ausgefüllt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dieser Körperkern 1 in drei Bereich 6, 7 und 8 unterteilt. Während der Körpermantel 2 hierbei aus dem thermoplastischen Kunststoff Polypropylen besteht, enthält zwar der Körperkern 1 auch den thermoplastischen Kunststoff Polypropylen. Jedoch ist das in dem Körperkern 1 verwendete Polypropylen während der Herstellung des Körperkerns 1 durch ein Spritzgussverfahren aufgeschäumt worden.
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Im Gegensatz dazu ist das Polypropylen des Körpermantels porenfrei, sodass die Dichte d1 des Körperkerns 1 und die Dichte d2 des Körpermantels 2 unterschiedlich sind und sich somit die Dichte d des Auftriebskörpers aus einer Kombination dieser beiden Dichten d1 und d2 des Körpermantels 2 beziehungsweise des Körperkerns 1 ableiten lassen. Damit der Auftriebskörper auf der Flüssigkeit der jeweiligen Anwendung aufschwimmen kann, muss die Dichte d des Auftriebskörpers jedoch geringer sein als die Dichte d0 der jeweiligen Flüssigkeit.
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Der Körperkern 1 ist, wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, in drei unterschiedliche Bereiche 6, 7 und 8 aufgeteilt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dabei der Bereich 6 spiegelsymmetrisch hinsichtlich der Spiegelebene S2 bezüglich des Bereiches 8 ausgebildet, während der Bereich 7 für sich spiegelsymmetrisch zu der Spiegelebene S2 ausgebildet ist. Innerhalb dieser Bereiche 6, 7 und 8 kann der Körperkern 1 ebenfalls mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften ausgestattet sein, sodass zum Beispiel die Dichte des Körperkerns 1 im Bereich 8 größer ist als die Dichte im Bereich 6. Hierdurch ist es möglich, durch entsprechende Einstellungen der Dichten eine gewünschte Orientierung des Auftriebskörpers beim Aufschwimmen auf der Flüssigkeit vorzugeben. Im vorliegenden Fall würde dies bedeuten, dass das Kopplungselement 5 bei der gewünschten Anwendung auch ohne eine Ankopplung an eine entsprechende Mechanik immer oberhalb des Flüssigkeitsspiegels der Flüssigkeit liegen würde.
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Die 3 zeigt das Ausführungsbeispiel des Auftriebskörpers der 1 und 2 in einer perspektivischen Ansicht, wobei hier allerdings außer dem Körpermantel 2 mit seiner Außenfläche 3 und dem an dem Körpermantel 2 angeordneten Kopplungselement 5 keine weiteren Elemente des Auftriebskörpers zu erkennen sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Körperkern
- 2
- Körpermantel
- 3
- Außenfläche
- 4
- Hohlraum
- 5
- Kopplungselement
- 6
- Bereich
- 7
- Bereich
- 8
- Bereich
- d0
- Dichte
- d1
- Dichte
- d2
- Dichte
- d
- Dichte
- R
- Rotationsachse
- S1
- Spiegelebene
- S2
- Spiegelebene
- A-A
- Schnittebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004009402 A1 [0008]
- DE 4119104 C2 [0008]
- DE 4143510 C2 [0008]
- DE 19932432 A1 [0008]
