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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Innenreinigung von Behältern, die bevorzugt um zwei Achsen rotieren kann. Sie kann insbesondere bei der Tank- und Behälterreinigung zum Einsatz kommen. Die Vorrichtung soll aufgrund seiner Bewegungscharakteristik ein gerichtetes helixförmiges Reinigungsmuster auf den Behälteroberflächen von einem Start- zu einem Endpunkt (z.B. von oben nach unten) ausbilden.
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Bei der automatisierten Reinigung von vornehmlich großen Behältern und Tanks kommen sogenannte Zielstrahlreiniger zum Einsatz. Dies sind zweiachsig rotierende Reinigungssysteme, die entweder durch die Reinigungsflüssigkeit oder extern angetrieben werden. Bei flüssigkeitsangetriebenen Zielstrahlreinigern erfolgt der Antrieb des Reinigers mittels einer Turbine um die vertikale Achse. Zur Übertragung der Drehbewegung auf die zweite Achse (horizontal, 90° gedreht) werden vornehmlich komplexe mechanische Getriebe eingesetzt, die ein Übersetzungsverhältnis nahe 1 erreichen. Somit dreht sich die eine Achse geringfügig schneller, als die andere und aufgrund dieses Geschwindigkeitsunterschieds kann über wenige Vollstrahldüsen das typische Reinigungs- bzw. Netzmuster auf der Behälterinnenwand ausgebildet werden. Dabei überschneiden sich Bereiche, die mehrfach von dem Reinigungsflüssigkeitsstrahl überstrichen werden.
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Dieses typische Netzmuster, das während der Reinigung mit jeder Umdrehung um die vertikale Achse immer engmaschiger wird, hat jedoch entscheidende Effizienznachteile. Zum Einen schneiden sich die Bahnen permanent, wodurch prozentual große Bereiche „überreinigt“ werden (stärker als benötigt). Dadurch erfolgt eine systematische Ressourcenverschwendung (Zeit, Reinigungsmittel, (Ab-)Wasser, Energie). Zum anderen werden die abgelösten Verschmutzungsbestandteile durch die Spritzstrahlen nicht zwangsläufig zum i.d.R. in der Mitte befindlichen Abfluss transportiert, sondern eher wieder im Bodenbereich des Tanks verteilt.
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Abhilfe kann der Einsatz eines Zielstrahlreinigers mit einer helixförmigen Strahlbahn schaffen, bei dem die Wirkung darin besteht, dass Behälter bzw. Tanks von oben (Behälterdecke) nach unten (Behälterboden) bzw. von einer zur anderen Seite mittels einer oder mehrerer Helixbahnen gereinigt werden können. Es kommt nicht, wie bei herkömmlichen Strahlbahnen von Zielstrahlreinigern zu Kreuzungen und für das Reinigungsergebnis irrelevante Überlappungen des Reinigungsflüssigkeitsstrahls.
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Die Herausforderung bei der Entwicklung eines solchen Zielstrahlreinigers besteht in der Realisierung des benötigten hohen Übersetzungsverhältnisses zwischen der vertikalen und der horizontalen Drehachse und der gleichzeitigen Einhaltung einer kompakten Bauweise.
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Die Vorteile von Reinigern mit Helixbahn sind:
- – Keine Mehrfachüberspritzung/-reinigung → kürzere Reinigungszeiten und dadurch verringerter Einsatz an (Ab-)Wasser, Reinigungschemie, Energie sowie eine höhere Anlagenverfügbarkeit
- – Erhöhung der Schwallreinigungseffekte (gleichmäßig, schwallweises Überströmen der Oberflächen mit abfließendem Reinigungsflüssigkeit) → schnellere Reinigung, vor allem im Mantelbereich der Behälter, durch Vorschädigung der Verschmutzung
- – Bereits gereinigte Bereiche werden nicht systematisch wieder von einem Gemisch aus Reinigungsflüssigkeit und Verschmutzung überströmt
- – Gelöste Verschmutzung wird gezielt zum Abfluss hin ausgetragen (vgl. kreisende Bewegung bei Reinigung einer Küchenspüle von losen, groben Schmutzrückständen mit Schlaucharmatur)
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Eine Helixbahnausbildung ist in 3 gezeigt.
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Den geschilderten technischen Problemen bzw. Herausforderungen wird derzeit nur mit Zielstrahlreinigern in Großbauweise (z.B. für die Reinigung von Öltankern) mit elektromagnetischer Hysteresekupplung und nur einer Düse begegnet. Dabei wird die beschriebene Helixbahn („Helical cleaning pattern“), wie bereits erläutert abgefahren und das für das hohe Übersetzungsverhältnis zuständige Getriebe ist außerhalb des Tanks angebracht.
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Noch ein anderes bekanntes System ist derzeit in der Lage, optimierte Helixbahnen abzufahren. Dies betrifft jedoch einen Zielstrahlreiniger, bei dem sogar beide Achsen aktiv und unabhängig voneinander angetrieben werden, d.h. sie sind nicht über ein Getriebe gekoppelt. Somit können beliebige Bewegungsprofile abgefahren werden. Aufgrund des hohen konstruktiven Aufwands beim Antrieb der zweiten Achse im Nassbereich ist das beschriebene System sehr komplex sowie teuer und erscheint somit als noch wenig praxisrelevant [
EP 892 685 A1 ]. Außerdem ist von einer durch die höhere Komplexität tendenziell verminderten Zuverlässigkeit auszugehen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine rein mechanische Ausbildung einer Helixbahn des Reinigungsflüssigkeitsstrahls, mit einer Vorrichtung, die im Wesentlichen vollständig innerhalb des zu reinigenden Behälters installiert ist, anzugeben, wobei keine externen Antriebe, Kupplungen oder Getriebe(-elemente) außerhalb des zu reinigenden Behälters angeordnet sind.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Innenreinigung von Behältern, kann/können ein Turbinenrad und/oder eine Kupplung für eine Antriebswelle mit einem drehbar in einem rohrförmigen Außengehäuse gelagerten rohrförmigen Element verbunden sein. Mit dem Turbinenrad und/oder einer anschließbaren Antriebswelle, die bevorzugt eine biegsame Welle sein kann, kann eine Drehung des rohrförmigen Elements erreicht werden.
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Der Antrieb für eine Drehung des rohrförmigen Elements kann aber auch durch die Rotation eines Rotorelements, an dem Austrittsdüsen für unter erhöhtem Druck stehende Reinigungsflüssigkeit vorhanden sind, durch Rückstoßwirkung erreicht werden.
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Reinigungsflüssigkeit, die über eine Zuführung zuführbar ist, gelangt zu einem drehbar am rohrförmigen Element in einem abgewinkelten Bereich befestigten Rotorelement und von dort zu mindestens einer am Rotorelement vorhandenen Austrittsdüse für die Reinigungsflüssigkeit. Rohrförmiges Element, abgewinkelter Bereich und Rotorelement sind dazu innen hohl.
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Das rohrförmige Element und mindestens ein Rotorelement sind über ein Getriebe miteinander verbunden. Das Getriebe bewirkt eine Drehbewegung um die Längsachse des rohrförmigen Elements und eine Drehbewegung des Rotorelements senkrecht zur mittleren Längsachse des rohrförmigen Elements mit mindestens zwei unterschiedlichen Übersetzungsstufen.
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Mit der Drehbewegung des rohrförmigen Elements wird in einer erfindungsgemäßen Alternative eine Rotation des Rotorelements um die Längsachse des rohrförmigen Elements erreicht.
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Vorteilhaft sollte Übersetzungsverhältnis der Drehzahl des rohrförmigen Elements in Bezug zur Drehzahl des Rotorelements im Bereich 20:1 bis 2000:1 eingehalten werden können. Das jeweils gewählte Übersetzungsverhältnis kann die Dimensionierung des jeweiligen Behälters, den Abstand der Austrittsdüsen von der Drehachse und/oder die Anzahl der Austrittsdüsen berücksichtigen.
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Das rohrförmige Element und das rohrförmige Außengehäuse können über ein erstes Zahnrad, bevorzugt ein Kronrad miteinander verbunden, sein, wobei das erste Zahnrad fest an der äußeren Mantelfläche des rohrförmigen Elements fixiert ist und die Drehbewegung des rohrförmigen Elements auf das Getriebe überträgt.
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Für die Drehbewegung des rohrförmigen Elements kann in einer erfindungsgemäßen Alternative Reinigungsflüssigkeit das Turbinenrad und das rohrförmige Element durchströmen. Da beide miteinander verbunden sind, erfolgt eine Drehung mit gleicher Drehzahl.
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Bei der zweiten Alternative kann eine Antriebswelle, die über eine geeignete Kupplung mit dem rohrförmigen Element verbunden werden kann, die Drehung des rohrförmigen Elements bewirken.
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Vorteilhaft kann dabei eine Kupplung an einem Zahnrad vorhanden sein, mit dem eine Drehbewegung des rohrförmigen Elements erreichbar ist. So kann auch hier eine Übersetzung von Drehzahlen erreicht werden.
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Erfolgt die Drehung des rohrförmigen Elements mittels einer Antriebswelle, so kann eine Richtungsumkehr für alle bei der Vorrichtung möglichen Bewegungen erfolgen. Es ist somit eine entgegengesetzte Drehung des Rotorelements um die Längsachse des rohrförmigen Elements möglich.
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Die Alternativen mit dem Turbinenradantrieb und einer über eine Kupplung anschließbare Antriebswelle können auch gemeinsam realisiert werden. Dabei kann die Bewegung in eine Richtung mit dem Turbinenradantrieb und in die entgegengesetzte Richtung mittels der Antriebswelle erreicht werden.
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Erfolgt der Drehantrieb des rohrförmigen Elements in einer weiteren Alternative durch Drehmomente, die infolge des Austritts von Reinigungsflüssigkeit aus Austrittsdüsen an Rotorarmen eines Rotorelements vorhanden sind, auftreten, wirken die Drehmomente über den Hebelarm, der durch den Abstand der Austrittsdüsen zur Rotationsachse des rohrförmigen Elements vorgegeben ist, in Verbindung mit dem Druck der Reinigungsflüssigkeit und dem aus den Austrittsdüsen austretenden Volumenstrom der Reinigungsflüssigkeit. Das Rotorelement ist mit dem abgewinkelten Bereich mit dem rohrförmigen Element fest verbunden. Dies kann bevorzugt über einen abgewinkelten Flansch erreicht werden, mit dem der abgewinkelte Bereich und das rohrförmige Element verbunden sind. Die Reinigungsflüssigkeit kann durch das rohrförmige Element, den abgewinkelten Flansch und den abgewinkelten Bereich, die alle innen hohl sind, zu einer Zufuhr für Reinigungsflüssigkeit zu Rotorarmen und von dort zu Austrittsdüsen gelangen.
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Bei dieser Antriebsalternative sollten mehrere, bevorzugt mindestens drei Rotorarme vorhanden sein und die Zufuhr von Reinigungsflüssigkeit zu Austrittsdüsen, die an Rotorarmen vorhanden sind, so ausgebildet sein, dass Reinigungsflüssigkeit gleichzeitig nur zu Austrittsdüsen strömt und dort als Flüssigkeitsstrahl austritt, die vor- oder hinter einer vertikalen Ebene, die in der Rotationsachse des Rotorelements angeordnet sind. Dadurch kann erreicht werden, dass ein mehrfaches Bestrahlen der Innenwand eines zu reinigenden Behälters an gleichen Positionen vermieden wird.
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Dabei kann die Zufuhr für Reinigungsflüssigkeit am abgewinkelten Bereich, an dem das Rotorelement drehbar gelagert ist, so ausgebildet sein, dass ein Kanal durch den abgewinkelten Bereich zu Kanälen in Rotorarmen, die zu den Austrittsdüsen führen, lediglich in einem oberen oder unteren Bereich vorhanden ist, so dass die Bedingung für einen selektiven Austritt von Reinigungsflüssigkeit lediglich vor- oder hinter der erwähnten vertikalen Ebene erfüllt werden kann. Dies kann beispielsweise durch explizite Ausbildung eines Kanals, der durch den abgewinkelten Bereich im Bereich, in dem das Rotorelement am abgewinkelten Bereich drehbar gelagert ist, ausgebildet ist, erreicht werden. Der Kanal sollte im Eintrittsbereich für Reinigungsflüssigkeit eine Länge aufweisen, die mehr als die Hälfte des Durchmessers ausmacht. Seine Öffnung in Richtung des Inneren des abgewinkelten Bereichs kann dabei horizontal nach vorn oder hinten weisen. Der Kanal sollte auch symmetrisch in Bezug zu einer horizontalen Achse, die bevorzugt senkrecht zur Drehachse des rohrförmigen Elements und senkrecht zur Drehachse des Rotorelements ausgerichtet ist, ausgebildet sein. Rotorarme sollten bei dieser Antriebsalternative in gleichen Winkelabständen zueinander ausgerichtet sein.
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Das vorteilhaft gewünschte hohe Übersetzungsverhältnis der Drehbewegungen von Rotorelement zu rohrförmigem Element kann dann bei dieser Antriebsalternative wieder mit den zwei Getriebestufen realisiert werden.
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Bei allen Antriebsalternativen kann an das erste Zahnrad anschließende und mit dem rohrförmigen Außengehäuse verbundene Getriebe mit mehreren Zahnrädern und einem weiteren Zahnrad in einer ersten Übersetzungsstufe für eine Drehbewegung des rohrförmigen Elements sowie einem Schneckengetriebe als zweiter Übersetzungsstufe für eine Drehbewegung des mindestens einen Rotorelements senkrecht zur Längsachse des rohrförmigen Elements und/oder als zweite Übersetzungsstufe als Räderumlaufgetriebe oder als Gleitkeilgetriebe (Harmonic Drive) ausgebildet sein. Durch die zweite Übersetzungsstufe wird eine kleinere Winkelgeschwindigkeit der Drehung des mindestens einen Rotorelements erreicht. Durch diese Winkelgeschwindigkeitsdifferenz ist es möglich eine Bestrahlung der Behälterinnenwand mit Reinigungsflüssigkeitsstrahlen, die einer Helixbahn auf der Innenwand folgen, erreichbar.
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Vorteilhaft sollte(n) das Getriebe und möglichst alle seine Elemente in einem Raum innerhalb eines Gehäuses und außerhalb des rohrförmigen Elements, also in einem Zwischenraum angeordnet sein, so dass keine Reinigungsflüssigkeit an das Getriebe gelangen kann.
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Die technische Realisierung eines den Anforderungen entsprechenden Getriebes ist vor allem ein Problem des begrenzten Bauraums (bei gewünschter kompakter Bauweise, ohne externe Komponenten). Daher scheiden herkömmliche Getriebelösungen für die industrielle Praxis in aller Regel aus. Aufgrund dessen soll erfindungsgemäß vorgeschlagen werden, ein rotierendes rohrförmiges Element in einem feststehenden rohrförmigen Außengehäuse einzusetzen. Dadurch kann erreicht werden, dass ein sehr kompakt ausgelegtes Getriebe nicht von der Reinigungsflüssigkeit durchströmt wird.
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Mit der Erfindung können bestehende Anlagen durch einfachen Tausch der bestehenden Zielstrahlreiniger, ohne Verursachung weiterer Investitionskosten (zusätzlich zum neu zu erwerbenden Zielstrahlreiniger), nachgerüstet werden. Es liegen freie Strömungswege (Getriebe nicht durchströmt) für die Reinigungsflüssigkeit bis zu einer Austrittsdüse vor. Nichtdurchströmte Getriebe weisen geringere (Hygiene-) und Ausfallrisiken auf. Turbinengetriebene Zielstrahlreiniger können direkt im jeweiligen Behälter/Tank montiert werden und benötigen keine weiteren technischen Installationen (Medien, Steuerung). Es ist kein zusätzlicher Antrieb notwendig, was die Einsparung von Energie ermöglicht und den Steuer- und Regelungsaufwand reduziert oder gar vermeidet.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 in zwei Schnittdarstellungen ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 in einer Seitenansicht einen Teil eines weiteren Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
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3 in schematischer Form eine Helixbahn in einem Behälter, die von einem Reinigungsflüssigkeitsstrahl einer erfindungsgemäßen Vorrichtung abgefahren werden kann.
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Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist ein Turbinenrad 6 in einem Zulaufbereich 23 für Reinigungsflüssigkeit angeordnet. Über eine Öffnung 24 kann Reinigungsflüssigkeit, die unter erhöhtem Druck steht, in den Zulaufbereich 23 gelangen. Das Turbinenrad 6 ist mit einem drehbar in einem rohrförmigen Außengehäuse 1 und einem abgewinkelten Flansch 3.2 gelagerten rohrförmigen Element 3 verbunden.
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Das rohrförmige Außengehäuse 1 dreht sich beim Betrieb nicht. Da die Reinigungsflüssigkeit das Turbinenrad 6 antreibt dreht sich das rohrförmige Element 3 in Abhängigkeit des Druckes und/oder des Volumenstroms der Reinigungsflüssigkeit. Mit diesen beiden Parametern kann Einfluss auf die Bewegung des Reinigungsflüssigkeitsstrahls in drei Dimensionen genommen werden.
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Die Reinigungsflüssigkeit strömt dabei durch das innen hohle rohrförmige Element 3 und durch einen abgewinkelten Bereich 3.1, der ebenfalls innen hohl ist, zu einem Rotorelement 2, der mindestens einen Rotorarm 2.2 aufweist. Bei diesem Beispiel sind zwei Rotorarme 2.2 vorhanden. An deren stirnseitigen Enden jeweils mindestens eine Austrittsdüse 2.1 vorhanden ist, aus der jeweils ein Reinigungsflüssigkeitsstrahl austritt und auf die Behälterinnenwand auftreffen kann. In nicht dargestellter Form kann ein zweites Rotorelement 2 mit einem zweiten abgewinkelten Bereich 3.1 am Flansch 3.2 angeschlossen sein. Auch dieses Rotorelement 2 ist drehbar am ihm zugeordneten abgewinkelten Bereich 3.1 gelagert. Die Ausrichtung sollte bevorzugt diametral zum anderen Rotorelement 2 erfolgen.
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Erfolgt der Antrieb zur Drehung des rohrförmigen Elements 3 mittels der Drehmomentwirkung der aus Austrittsdüsen 2.1 austretenden Reinigungsflüssigkeitsstrahlen sollten bevorzugt drei oder vier Rotorarme 2.2 am Rotorelement 2 vorhanden sein.
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Dabei ist das rohrförmige Außengehäuse 1 starr über einen Anschluss (z.B. eine Flanschverbindung) mit einer nicht gezeigten Reinigungsflüssigkeitszuleitung verbunden. Im Gegensatz dazu ist das in Rotation versetzbare Turbinenrad 6 mit dem drehbar im rohrförmigen Außengehäuse 1 angeordneten rohrförmigen Element 3 verbunden. Mit der Drehung des rohrförmigen Elements 3 um die vertikale Achse (Längsachse des rohrförmigen Elements 3) kann eine gemeinsame Drehung des Rotorelements 2 um die vertikale Achse erreicht werden. Das rotierende rohrförmige Element 3 ist wiederum starr an seiner äußeren Mantelfläche mit einem unteren ersten Zahnrad, das hier als Kronenrad 8 ausgebildet ist, verbunden. Dadurch kann die Drehbewegung des rohrförmigen Elements 3 über mindestens ein fest mit dem rohrförmigen Außengehäuse 1 verbundenes und drehbar gelagertes Stirnradpaar 9 auf das am Außengehäuse 1 drehbar gelagerte, weitere obere Kronenrad 10 übertragen werden. Aufgrund einer unterschiedlichen Zähnezahl der beiden Kronenräder 8 und 10 wird eine Differenzwinkelgeschwindigkeit zu der Drehzahl des rohrförmigen Elements 3 erreicht, wodurch ein hohes Übersetzungsverhältnis einer ersten Übersetzungsstufe resultiert.
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Weiter ist das durch die erste Übersetzungsstufe angetriebene, obere Kronenrad 10 starr mit einem Zahnrad 11 verbunden, wobei über ein weiteres Zahnrad 12 das Drehmoment auf eine Schneckenwelle 13 mit zugehöriger Schnecke 13 übertragen wird. Durch ein über die Schnecke 13.1 angetriebenes Schneckenrad 14 wird die zweite Übersetzungsstufe mit hohem Übersetzungsverhältnis realisiert, woraus in Summe ein sehr hohes Übersetzungsverhältnis zwischen vertikaler und horizontaler Drehachse (senkrecht zur Längsachse des rohrförmigen Elements 3) und folglich die langsame Schwenkbewegung der einzelnen Austrittsdüsen 2.1 des Rotorelements 2 resultiert. Die Schnecke 13.1 treibt ein Schneckenrad 14 an, das mit dem mindestens einen Rotorelement 2 verbunden ist.
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Das rohrförmige Element 3 mündet bei diesem Beispiel in einen abgewinkelten Flansch 3.2, der einen weiteren Anschluss für ein weiteres rohrförmiges Element 3.1 hat. Die rohrförmigen Elemente 3 und 3.1 sind in einem Winkel senkrecht zueinander ausgerichtet. Die Reinigungsflüssigkeit kann durch die rohrförmigen Elemente 3 und 3.1 sowie den Flansch 3.2 zu dem mindestens einen Rotorelement 2 und über die Rotorarme zu den Austrittsdüsen 2.1 für Reinigungsflüssigkeit gelangen und dort als Strahl austreten.
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Bei dem teilweise in 2 gezeigten Beispiel ist die erste Übersetzungsstufe mittels eines starr mit dem fest stehenden rohrförmigen Außengehäuse 1 verbundenen ersten Stirnrad 8 und einem auf dem rotierenden rohrförmigen Element 3 drehbar gelagerten Kronenrad 4 ausgeführt.
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Das Stirnrad 15, das an der äußeren Mantelfläche des rohrförmigen Elements 3 fixiert ist, ist mit dem Sonnenrad des Umlaufrädergetriebes 5 gekoppelt. Das Umlaufrädergetriebe 5 stellt die zweite Übersetzungsstufe mit hohem Übersetzungsverhältnis dar, woraus eine langsame, rotatorische Bewegung des mit diesem verbundenen Rotorelements 2 resultiert.
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Anstelle eines Umlaufrädergetriebes (Planetengetriebe) kann ein Gleitkeilgetriebe, das auch unter der Bezeichnung Harmonic Drive bekannt ist, eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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