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Die Erfindung betrifft einen fluidgetriebenen Antrieb.
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Hintergrund
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Es ist bekannt, dass in vielen fluidtechnischen Systemen die bereitstellbare Kraft, welche durch Zylinder oder Membranen ausgeübt wird, nur in einem kleinen Bereich des Verfahrweges des Antriebs, z.B. der Endlage, benötigt wird. Die maximale Kraft, die während des Hubes aufzubringen ist, ist dabei für die Auslegung eine bestimmende Größe.
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Solch eine Situation ist z.B. bei der Auslegung eines pneumatischen Aktors für Klemmprozesse, Einpressen, Verdichtung in pneumatischen Druckverstärkern, Druckluftmembranpumpen, etc. maßgebend.
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Die Bereitstellung von Druckluft ist aufgrund der thermodynamischen Vorgänge im Verdichter sehr energieaufwändig.
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Der Druckluftverbrauch pro Hubbewegung eines pneumatischen Antriebs ist näherungsweise durch das Produkt aus Druck und Volumen am Hubende (Endlage) bestimmt. Eine Ausnahme bilden die im Folgenden nicht weiter betrachteten servopneumatischen Antriebe, deren Druckluftaufnahme mindestens dem vorher genannten Wert entspricht, aufgrund von Regelverlusten i.d.R. jedoch größer ist.
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Folglich ist der Wirkungsgrad pneumatischer Antriebe insbesondere dann schlecht, wenn eine geringe Kraft über weite Bereiche des Hubs notwendig ist, aber am Hubende ein großer Kraftbedarf besteht. In diesem Fall wird durch den Antrieb wenig Arbeit verrichtet, aber eine große Druckluftmenge verbraucht.
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Insbesondere in der pneumatischen Automatisierungstechnik ist festzustellen, dass die Dimensionierung der pneumatischen Komponenten schwierig ist. Dies ist insbesondere dadurch bedingt, dass Standardgrößen verwendet werden und die Randbedingungen, wie z.B. Fluktuationen in einem pneumatischen Versorgungssystem, Widerstandskräfte und Prozesskräfte nicht exakt vorherbestimmbar sind.
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Daher werden in bisherigen Systemen pneumatische Komponenten eher weit überdimensioniert, um einen sicheren Betrieb auch unter schwierigen Bedingungen sicherstellen zu können.
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Gemäß dem Stand der Technik wird während der Inbetriebnahme versucht, durch Minderung des Versorgungsdrucks von Maschinen oder einzelnen Baugruppen den Druckluftverbrauch zu senken, indem der Betriebsdruck auf den notwendigen Druck reduziert wird. Aufgrund des großen Komponentenaufwands erfolgt dies jedoch selten antriebsspezifisch und ist überdies i.d.R. nicht adaptiv, sodass der Versorgungsdruck nicht der Last nachgeführt wird und ausschließlich die fehlerhafte Dimensionierung der Aktoren aus energetischer Sicht zumindest teilweise kompensiert wird.
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Die Bereitstellung solcher Aktoren mit einer lastadaptiven Druckabschneidung in der Endlage zur Effizienzsteigerung erfordert zusätzliche, aufwändige Maßnahmen. Dieser Aufwand ist häufig unverhältnismäßig hoch, sodass er insbesondere in der Automatisierungstechnik zumeist unterbleibt.
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Aufgrund der heute verbreiteten einfachen Schaltungstechnik entspricht der Druck in der Endlage somit i.d.R. dem eventuell durch einen Druckminderer reduzierten Versorgungsdruck. Der Pneumatikantrieb ist daher derart ausgelegt, dass er über den gesamten Vor- und Rückhub die jeweils maximale Kraft aufbringen kann. Unabhängig von der tatsächlich geleisteten Arbeit ist sein Druckluftverbrauch entsprechend hoch.
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Ohne Berücksichtigung von Leckageverlusten ist in solchen pneumatischen Systemen der Luftverbrauch näherungsweise proportional zur Anzahl der Arbeitszyklen, der Größe der unter Druck stehenden Volumina, und der Dichte der Druckluft.
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Eine Ausnahme bilden beispielsweise Druckluftmembranpumpen oder ausgewählte weggesteuerte Zylinder in Automatisierungsanlagen, deren Umschaltventil bei Erreichen der Endlage direkt umschaltet, ohne dass die Antriebskammer bis zum Erreichen des Versorgungsdrucks befüllt wird.
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Jedoch bleibt auch mit dieser Maßnahme der erforderliche Druck in der Endlage des Antriebs bei gegebenem Antriebsvolumen die für die Druckluftaufnahme maßgebliche Größe, während analog zum Einsatz von Druckminderventilen durch die einhergehende Druckreduktion in den Ventilen große Mengen von Kompressionsenergie unnötigerweise dissipiert werden.
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Aus der
DE 10 2010 022 022 B4 ist ein Blindnietmuttern-Setzgerät bekannt, dessen Zugbolzen über einen integrierten pneumatisch-hydraulischen Druckverstärker ansteuerbar ist. Die eingesetzte Druckregulation ist adaptiv gestaltbar und ermöglicht eine platzsparende Bauweise. Allerdings ist auch diese Anordnung nicht energieeffizient.
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Aus der US 2008 / 0 258 654 A1 ist ein kombinierter pneumatischer und elektrischer Aktuator bekannt. Dieser erlaubt zwar eine Verbesserung, ist aber vergleichsweise aufwändig und nicht energieeffizient.
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Aus der US 2003 / 0 167 917 A1 ist ein pneumatischer Aktuator mit einem Membransystem bekannt. Allerdings ist das System mechanisch aufwändig und nicht energieeffizient.
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Aus der US 2014 / 0 141 909 A1 sind pneumatisch lineare Aktoren mit einem Regulationsmechanismus basierend auf einer vorgespannten Feder bekannt. Dieser erlaubt zwar eine Verbesserung, ist aber vergleichsweise aufwändig und nicht energieeffizient.
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Aufgabe
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Ausgehend hiervon ist eine Aufgabe der Erfindung eine Verbesserung in Bezug auf die Energieeffizienz bereitzustellen. Dabei soll die Lösung einfach, kostengünstig und langzeitstabil ausgestaltet sein.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen fluidgetriebenen Antrieb gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Figuren und der Beschreibung.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird die Erfindung näher unter Bezug auf die Figuren erläutert. In diesen zeigt:
- 1 eine erste Anordnung von Ausführungsformen von Elementen gemäß der Erfindung,
- 2 eine zweite Anordnung von Ausführungsformen von Elementen gemäß der Erfindung,
- 3 eine dritte Ausführungsform von Elementen gemäß der Erfindung,
- 4 eine vierte Ausführungsform von Elementen gemäß der Erfindung, und
- 5 eine fünfte Ausführungsform von Elementen gemäß der Erfindung.
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Ausführliche Darstellung der Erfindung
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Nachfolgend wird die Erfindung eingehender unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschrieben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können. D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt.
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Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter „ein“, „eine“ und „eines“ nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.
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Soweit nachfolgend Verfahren beschrieben werden, sind die einzelnen Schritte eines Verfahrens in beliebiger Reihenfolge anordbar und/oder kombinierbar, soweit sich durch den Zusammenhang nicht explizit etwas Abweichendes ergibt. Weiterhin sind die Verfahren - soweit nicht ausdrücklich anderweitig gekennzeichnet - untereinander kombinierbar.
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Angaben mit Zahlenwerten sind in aller Regel nicht als exakte Werte zu verstehen, sondern beinhalten auch eine Toleranz von +/- 1% bis zu +/- 10 %.
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Bezugnahme auf Standards oder Spezifikationen oder Normen sind als Bezugnahme auf Standards bzw. Spezifikationen bzw. Normen, die zum Zeitpunkt der Anmeldung und/oder - soweit eine Priorität beansprucht wird - zum Zeitpunkt der Prioritätsanmeldung gelten / galten zu verstehen. Hiermit ist jedoch kein genereller Ausschluss der Anwendbarkeit auf nachfolgende oder ersetzende Standards oder Spezifikationen oder Normen zu verstehen.
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In den Figuren ist jeweils eine Seitenansicht dargestellt. Soweit nicht anders vermerkt beziehen sich nachfolgend alle Beschreibungen immer auf alle Ausführungsformen.
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Es hat sich gezeigt, dass eine Druckreduzierung und/oder die Verwendung von Druckminderen bereits zu einer deutlichen Verbesserung führen können.
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Beispielsweise kann bei einer Umgebungstemperatur von 293 K, einer Dichte des Fluids im Normzustand von 1,183 kg/m3, einer spezifischen Gaskonstante des Fluids von 288 J/(kg*k), einem isentropischen Koeffizienten von 1,4 und einer Wärmekapazität von 1008 J/(kg*K) eine Regulierung des Druckes von 6 bar auf 5,5 bar zu einer Massenflussreduktion von 8,33 % führen. Die Änderung der spezifischen Exergie der Druckluft durch die Druckminderung beträgt 8,69 kJ/m3, entsprechend einer Verlustexergie bei 100 l/min von 14,5 Watt. Wird der Druck hingegen von 6 bar auf 3 bar reguliert, so führt dies zu einer Massenflussreduktion von 50 %. Die Änderung der spezifischen Exergie beträgt in diesem Fall 69,19 kJ/m3, entsprechend einer Verlustexergie bei 100 l/min von 115,3 Watt am Druckminderer.
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Daher muss es Ziel sein, das Arbeitsvolumen so klein wie nötig zu halten und die Verluste durch Druckminderung bestmöglich zu vermeiden.
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Die Erfindung löst dies indem sie es erlaubt ohne Anpassung des Betriebsdrucks kleinere Zylinder zu verwenden. Um dennoch die nötigen Kräfte an geeigneter Stelle aufbringen zu können, wird ein stabiles Element E eingesetzt.
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Die Erfindung schlägt daher vor - wie in den 1 - 5 gezeigt - einen fluidgetriebenen Antrieb 1 bereitzustellen. Der fluidgetriebene Antrieb 1 weist eine beweglichen Wirkfläche K und mindestens eine volumenveränderliche Kavität Z auf.
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Der fluidgetriebene Antrieb 1 weist weiterhin ein erstes magnetisches Element M1 und ein zweites magnetisches Element M2 auf. Das erste magnetische Element M1 und das zweite magnetische Element M2 ändern bei Bewegung des fluidgetriebenen Antriebes ihre Relativposition zueinander. Je nach relativer Position zueinander ziehen sich das erste magnetische Element M1 und das zweite magnetische Element M2 an oder aber stoßen sich voneinander ab, je nachdem, ob die magnetische Feldrichtung der beiden magnetischen Elementen M1, M2 gleich oder gegengerichtet orientiert sind.
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Bei einer Bewegung der Wirkfläche K in eine erste Bewegungsrichtung kann der Antrieb zunächst zumindest in einem Abschnitt A1 unter einem geringeren Kraftaufwand bis zu einem ersten Punkt LP bewegt werden.
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In der ersten Bewegungsrichtung (die magnetischen Elemente bewegen sich aufeinander zu) wird zusätzlich zu der Kraft, welche durch Fluiddruck bereitgestellt ist, auch eine magnetische Kraft durch das erste magnetische Element M1 (in seiner Wechselwirkung mit dem zweiten magnetischen Element M2) in Richtung der ersten Bewegungsrichtung ausgeübt. Diese wirkt sich jedoch erst dann merklich aus, wenn die zwei magnetischen Elemente M1, M2 sich einander annähern, d.h. im Abschnitt A2. D.h. es wird ein geringer Kraftaufwand benötigt, da die Magneten sich anziehend unterstützen.
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Bei einer nachfolgenden Bewegung der Wirkfläche K in eine zweite Bewegungsrichtung, die entgegengesetzt zur ersten Bewegungsrichtung ist, kann der Antrieb 1 dann unter erhöhtem Kraftaufwand in den Abschnitt A1 bewegt werden. D.h. im Abschnitt A2 wird zu Anfang ein erhöhter Kraftaufwand benötigt, da die Magneten weiter einander anziehen.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann eines der beiden magnetischen Elemente M1, M2 oder auch beide sich innerhalb der Kavität Z befinden. Dies ist in den 1 bis 5 dargestellt.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit können das erste magnetische Element M1 und / oder das zweite magnetische Element M2 einen Permanentmagnet aufweisen. Beispielsweise könnte das erste magnetische Element in 1 ein Permanentmagnet sein.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weisen das erstes magnetische Element M1 und / oder das zweite magnetische Element M2 ein ferromagnetisches Material auf. Beispielsweise kann in der Ausführungsform der 1 vorgesehen sein, dass das zweite magnetische Element M2 ein ferromagnetisches Material aufweist, während das erste magnetische Element M1 ein permanentmagnetisches Material aufweist. Beispielsweise ist in 1 eine topfartige Magnetstruktur als erstes permanentmagnetisches Element M1 gezeigt. In 2 ist eine hierzu ähnliche Magnetstruktur als erstes permanentmagnetisches Element M1 gezeigt. In 5 wiederum ist ein erstes ferromagnetisches Element M1 und ein zweites permanentmagnetisches Element M2 gezeigt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das erstes magnetische Element M1 und / oder das zweite magnetische Element M2 eine elektrische Spule auf. Eine solche Spule kann dauerhaft in Betrieb sein, oder aber bei Bedarf in Betrieb gesetzt werden. Die hat zwar den Nachteil, elektrische Energie für den Betrieb zu benötigen, jedoch können damit magnetische Kräfte bei Bedarf zur Verfügung gestellt werden, ohne dass hierfür das Gewicht merklich ansteigt. Zudem erlauben Spulen die Einstellung der magnetischen Wirkung. Hierdurch kann bei geeigneter Beschaltung die Kraftwirkung gezielt ein- und ausgeschaltet werden. Zudem wäre es prinzipiell möglich -abhängig von der gegenwärtigen Position - auch die Stärke eines Magnetfeldes der Spule einzustellen.
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In Ausführungsformen, die z.B. in den 2-5 dargestellt sind, wird durch entsprechende Formgebung des ersten magnetischen Elements M1 und/oder des zweiten magnetischen Elements M2 die Kraftwechselwirkung zwischen den magnetischen Elementen M1 und M2 über einen großen Bereich von Relativpositionen ausgedehnt im Vergleich zur Ausführungsform der 1.
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In Ausführungsformen, die z.B. in den 2-5 dargestellt sind, wird durch entsprechende Formgebung des ersten magnetischen Elements M1 und/oder des zweiten magnetischen Elements M2 die Kraftwechselwirkung zwischen den magnetischen Elementen M1 und M2 über einen großen Bereich von Relativpositionen näherungsweise konstant gehalten.
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Beispielsweise ist in 3-5 eine nicht-lineare eher konische Außenform gezeigt, die im Ergebnis zu einer nahezu linearen Kraftwirkung über einen großen Bereich des Abschnittes A2 führt.
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In 2 ist eine Ausführung als kennlinienbeeinflusster Magnet gezeigt, welche vergleichbar zu elektromagnetisch betriebenen Proportionalmagneten ist.
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Durch Lageänderung, Bestromung einer Spule, etc. ist es möglich die Kraftwirkung zu beeinflussen. Beispielsweise könnte das magnetische Element M1 relativ zur Rückwand der Kavität verschiebbar sein. Hierdurch könnte der Bereich der magnetischen Wirkung (A2) verschoben werden. Gleiches wäre möglich, könnte das magnetische Element M2 relativ zur beweglichen Wirkfläche K verschiebbar sein. D.h. der maximale Grad der Überdeckung des ersten magnetischen Elements M1 relativ zum zweiten magnetischen Element M2 im Falle des Eintauchens (Bereich A2) kann einstellbar sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann durch Hinzufügen einer Spule die Kraftwirkung selbst beeinflusst werden. D.h. die magnetische Stärke des ersten magnetischen Elements M1 und/oder des zweiten magnetischen Elements M2 kann einstellbar sein.
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In der 1 und 3-5 ist jeweils ein fluidgetriebener Antrieb 1 gezeigt, bei dem am Ende des Bewegungsweges, d.h. am Ende des Abschnittes A2, ein optionaler deformierbarer Anschlag AS vorgesehen ist. Mit diesem kann ein Anschlagen verhindert werden, sodass der Antrieb leiser wird. Der deformierbare Anschlag AS kann beispielsweise als eine Anlaufscheibe realisiert sein. Ein solcher deformierbarer Anschlag AS kann auch ein Anhaften der magnetischen Elemente M1. M2 aneinander verhindern. Der deformierbare Anschlag AS ist bevorzugt nicht ferromagnetisch, z.B. aus einem elastischen Kunststoff gefertigt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Antrieb 1 einen elektrisch leitfähigen Kurzschlussring KS auf, in dem durch das aufgeprägte Magnetfeld und dessen bewegungsbedingte Änderung ein Wirbelstrom entsteht, dessen Kraftwirkung der Bewegung entgegenwirkt, wie in 4 gezeigt. Dieser Kurzschlussring KS kann bei einer Beschaltung mit einer Diode abhängig von der Bewegungsrichtung als Wirbelstrombremse wirken. D.h. abhängig von der Bewegungsrichtung wird ein Stromfluss in der Kurzschluss-Spule (Kurzschlussring) KS ermöglicht (Diode in Durchlass-Richtung) oder verhindert (Diode in Sperrrichtung). Der Kurzschlussring KS erzeugt durch die entstehenden Wirbelströme eine Dämpfungskraft im System und kann z.B. ein zu schnelles Aufschlagen in der Endlage verhindern. Prinzipiell lässt sich solch ein Kurzschlussring zur elektrodynamischen Dämpfung in jede gezeigte Anordnung integrieren.
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Insbesondere bei Spannaufgaben, die eine große Kraft lediglich in einem relativ kleinen Hubbereich erfordern, kann der Wirkungsgrad unter realistischen Bedingungen mit einer einfachen Mechanik bereits um 20 %, 30 % und mehr gesteigert werden.
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Deutliche Wirkungsgradsteigerungen können ebenfalls bei pneumatisch betriebenen Druckverstärkern und Membranpumpen erzielt werden.
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Die erfindungsgemäße Mechanik kann zudem zu einer Reduktion des erforderlichen Bauraums führen.
- a) Die stabile Mechanik ist speziell für pneumatische Aktoren geeignet und führt bei konstanter Wirkfläche des Antriebs zur Reduktion des erforderlichen Druckes in der Endlage.
- b) Durch Nutzung der Mechanik wird Energie eingespart, sodass es sich bei der Erfindung um ein energieeffizientes System handelt.
- c) Weitere Vorteile: Es kann Bauraum eingespart werden durch eine Reduktion der Wirkfläche, die stabile Mechanik ist robust und vergleichsweise kostengünstig und lässt sich je nach Kraftbedarf adaptiv gestalten.
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Die Integration eines stabilen Elementes E, beispielsweise in Form eines Magnetsystems, etc., erlaubt die Senkung der erforderlichen Kraft, indem diese durch das stabile Element aufgebracht wird.
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Somit wird die Druckluftaufnahme signifikant reduziert bei gleicher Kraft in der Endlage oder einem anderen vom Nutzer definierten Punkt (bei einstellbarer Mechanik).
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Bei bekanntem Zyklus (z.B.: in Membranpumpen oder Druckverstärkern) lässt sich die Mechanik während der Auslegung auf den Betrieb optimieren.
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Bei variablem Kraftbedarf in der Endlage (z.B. bei Druckluftmembranpumpen mit schwankendem Förderdruck pFörder) lässt sich darüber hinaus die Mechanik adaptiv gestalten.
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Mittels der Erfindung lässt sich eine Energieeinsparung bei gleichzeitig reduziertem Bauraum realisieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010022022 B4 [0015]
