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Die
Erfindung bezieht sich auf eine pneumatische Feder, die insbesondere
zur Verwendung in Metallumformpressen oder in irgendwelchen anderen
zum Trennen von Oberflächen
geeigneten Vorrichtungen konstruiert ist, welche mit einem hohen Kontaktdruck
betätigt
werden, wobei die Feder mit bestimmten Merkmalen vorgesehen ist,
die ihre Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Gasfedern erheblich
verbessern.
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Eine
pneumatische Feder ist wie allgemein bekannt im Wesentlichen aus
einer oder mehreren abgedichteten Kammern aufgebaut, in denen Luft oder
ein anderes Gas unter Last zusammengedrückt werden.
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Pneumatische
Federn sind auch bekannt, hochwirksam und sehr wirtschaftlich zu
sein, da sie keinerlei wälzende
oder gleitende Bauteile besitzen, und es im Allgemeinen keine Reibung
oder Werkstoffspannungen gibt.
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Diese
Federn können
in vielen Anwendungen eingesetzt werden, insbesondere bei Fahrzeugaufhängungen
und bei der mechanischen Isolierung von Maschinenteilen.
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Pneumatische
Federn sind in der Technik in einer Vielzahl von Zusammensetzungen
und mit einer Vielzahl von Merkmalen bekannt:
Die Federn, die
in der Technik als "Gasfedern" bekannt sind, werden
im Wesentlichen durch einen äusseren
Zylinder gebildet, der mit einem koaxial, durch das Innere sich
erstreckenden Hohlraum bereitgestellt ist, wobei ein innerer Kolben
eingerichtet ist, um innerhalb des Hohlraums zu gleiten, so wie
um das darin enthaltene Gas zu komprimieren, und wobei eine O-Ring-Dichtung
eingerichtet ist, um die Verbindung zwischen der inneren Oberfläche des
Zylinders und der Seitenfläche
des Kolbens festsitzend abzudichten.
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Diese
Federn sind durchaus in der Lage, eine Vielzahl von Anforderungen
zu erfüllen und
darüber
hinaus können
sie unter Verwendung von allgemein bekannten und bereits verfügbaren Techniken hergestellt
werden; allerdings haben sie zwei Hauptnachteile, die ihren Einsatz
unter besonderer Beanspruchung bedenklich machen. So ist zum Beispiel das
erste Problem mit der Existenz des Dichtungsrings selbst verbunden.
Solch eine Dichtung ist tatsächlich
dem Verschleiß aufgrund
des natürlichen Laufs
der Dinge unterworfen, insbesondere, wenn sie in der Gegenwart in
einer mehr oder weniger korrosiven oder degradierenden Atmosphäre arbeitet und
dies natürlich
zu einer bestimmten Herabsetzung der Gesamtleistungsfähigkeit
des Aufbaus führt.
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Des
Weiteren impliziert die Geometrie des Federaufbaus selbst, d.h.
die koaxiale Anordnung der Kolbenachse in Bezug auf die Bewegungsrichtung
des Kolbens innerhalb des Zylinders die Bedingung, dass die äußere Kraft
auf die Stange entlang derselben Achse angewendet werden muss, da
anderenfalls eine weitere beschleunigte Zurückstufung der Feder stets akzeptiert
werden muss. Dieser Zwang schränkt
den Anwendungsbereich von Gasfedern dieser Art weiter ein.
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Gasfedern,
die insbesondere als dämpfende oder
Aufprall-absorbierende Federn im Fahrzeug und einer ähnlichen
Industrie verwendet werden, sind eingerichtet, um zwei verschiedene
Aufgaben auszuführen,
d.h. um als elastische Pufferwirkung zu funktionieren, um Oszillationen
mit geringer Frequenz und breiter Amplitude und Vibrationsbelastungen
entgegenzuwirken und gleichzeitig eine dämpfende Wirkung für Vibrationen
mit niedriger Amplitude und hoher Frequenz sicherzustellen.
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Diese
doppelte Aufgabe wird ziemlich oft durch die Verwendung von abdichtenden
oder dämpfenden
Elementen oder sogar von geeigneten Ventileinrichtungen ausgeführt, die
ziemlich oft mit vibrationsdämpfenden
Flüssigkeiten
verknüpft
sind, wie sie beispielsweise in der US-A-5 518 225, US-A-4 697 797
und US-A-5 669 597 sowie in den darin als Stand der Technik zitierten
Patentveröffentlichungen beschrieben
sind.
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Die
Leistungsfähigkeit
dieser Vorrichtung ist zweifelsohne bewiesen, jedoch sind sie mit
einer deutlichen Konstruktionskomplexität und einer heiklen Herstellung
verbunden und haben natürlich
hohe Kosten zur Folge.
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Es
sind auch Gasfedern bekannt, die sich auf die Verwendung von balgähnlichen
Elementen stützen,
um mit verschiedenen Fluiden gefüllte
Kammern, im Allgemeinen Gase und Flüssigkeiten, zu trennen, und
die verschiedenen dämpfenden
und absorbierenden Aufgaben für
Vibrationsbelastungen mit einer hohen Amplitude durchführen. Diese
Federn zeigen jedoch die Probleme, die typischerweise mit der Gegenwart
von Dichtungsringen verbunden sind, sowie eine beträchtliche
Abweichung mit einem niedrigen Koeffizienten der elastischen Fähigkeit
und die durch die Anwendung von Vorbelastungen oder Vorspannungen
durch die Vorkompression nicht einfach eliminiert werden können.
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Des
Weiteren sind die oben beschriebenen Typen von Federn insbesondere
konstruiert und vorgesehen, um mit ihren zu erreichenden Gasdruckwerten,
die in der Größenordnung
zwischen 10 und 15 bar liegen, zu arbeiten, und sind deshalb zur
Verwendung in Anwendungen als dämpfende
Federn in Metallumformpressen nicht geeignet, bei denen Arbeitsdrücke einen
Wert von 200 bar erreichen und sogar überschreiten können.
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Aus
der
DE 705 036 ist eine
Gasfeder bekannt, in der die Abdichtung zwischen dem Kolben (b)
und dem Zylinder (a) durch einem geschlossenen und elastischen Behälter (g)
vorgesehen ist, der im Inneren der pneumatischen Kammer platziert
ist; jedoch werden die Seitenwände
des geschlossenen, elastischen Behälters (g) während jeder Betätigung unmittelbar
auf die Feder gestreckt und ändern
ihre Länge
für den
gleichen Hub des Federhubs; dieser Umstand führt schnell zu einem Verschleiß des Behälters, so
dass die Feder ihre Dichtfähigkeit
verliert und an einer Leistungsverschlechterung leidet.
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Es
ist deshalb eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung zur
Implementierung von pneumatischen Federn vorzusehen, die ohne entweder
Gas- oder Flüssigkeitsdichtungsringen funktionieren,
die in der Lage sind, Belastungen aufzunehmen und standzuhalten,
die zur Achse der Feder nicht ausgerichtet sind und, die aus verschiedenen
und variablen Richtungen übertragen
werden und ungeachtet dessen innerhalb bestimmter Begrenzungen sowohl
in ihrer Breiten- als auch in ihrer Höhenabmessung ziemlich kompakt
sind, und in denen der Druck des Gases auf sehr hohe Werte vorgespannt
werden kann.
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Weiterhin
sollen diese Federn in der Lage sein, aus einfachen Werkstoffen
und Techniken hergestellt zu werden, die bereits auf dem Markt verfügbar sind.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Art von Federn, die
die Charakteristika aufweist, die im Wesentlichen insbesondere mit
Bezug auf die angefügten
Ansprüche
beschrieben wird.
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Merkmale
und Vorteile der vorliegenden Erfindung können jedenfalls besser aus
der nachfolgenden Beschreibung verstanden werden, die mittels nicht
einschränkender
Beispiele mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen gegeben wird,
in denen:
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die 1 eine
schematische vertikale Schnittansicht in longitudinaler Richtung
einer nicht komprimierten Feder gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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die 2 eine
vertikale Schnittansicht der in der 1 gezeigten
Feder ist, jedoch in einem vollständig zusammengedrückten Zustand;
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die 2B eine
Ansicht einer Variante der in der 2 gezeigten
Ausführungsform
der Feder ist;
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die 3 eine
Ansicht einer Variante der in der 1 gezeigten
Ausführungsform
der Feder ist;
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die 4 eine
Ansicht der in der 3 gezeigten Feder ist, jedoch
in einem vollständig
zusammengedrückten
Zustand;
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die 5 eine
schematische vertikale Schnittansicht in longitudinaler Richtung
einer nicht komprimierten Feder gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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die 6 eine
vertikale Schnittansicht der in der 5 gezeigten
Feder ist, jedoch in einem vollständig zusammengedrückten Zustand;
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die 7 eine
Ansicht einer Variante der in der 5 gezeigten
Ausführungsform
der Feder ist;
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die 8 eine
Ansicht der in der 7 gezeigten Feder ist, jedoch
in einem vollständig
zusammengedrückten
Zustand.
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Im
Hinblick auf die 1, 2, 3 und 4 kann
bemerkt werden, dass eine Gasfeder gemäß der vorliegenden Erfindung
im Wesentlichen ein hohles zylindrisches Gehäuse 1, einen inneren
Kolben 2, eine Stange 3, die eingerichtet ist,
um den Kolben zu betätigen,
und ein elastisches dichtendes balgähnliches Element umfasst.
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Eine
Basis des zylindrischen Gehäuses
ist von einer kreisförmigen
Wand 11 vollständig
eingeschlossen, wohingegen die andere Basis dank einer zentralen Öffnung 13 nur
teilweise von einer ähnlichen
kreisförmigen
Wand 12 eingeschlossen ist. Der Kolben 2 ist eingerichtet,
um innerhalb des zylindrischen Gehäuses zu gleiten, sowie, um
eine Kammer 14 mit variablen Volumen zu definieren, wobei
das Volumen möglicherweise
sogar auf Null reduziert sein kann, wenn der Kolben vollständig gegen
die kreisförmige
Wand 11 gedrückt
wird.
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Die
am äußeren Ende
des Kolbens befestigte Stange 3 bildet das Betätigungselement
des Kolbens und ist eingerichtet, um durch die zentrale Öffnung 13 gleitend
sich zu bewegen; die Führung
des Stangen-Kolben-Aufbaus wird durch die Kopplung zwischen der
Kolbenwand und der inneren Oberfläche des Gehäuses 1 zustandegebracht.
Die Stange ragt dabei mit einem Teil 31 radial aus dem
zylindrischen Gehäuse,
in dem sich das Teil 31 in einer ebenen, fortlaufenden
Weise selbst hinter dem äußeren Rand
des hohlen Gehäuses
anordnet, und zwar orthogonal zur gemeinsamen Achse „A" des Kolbens, der
Stange und des zylindrischen Gehäuses.
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Wie
dem auch sei, eine Gasfeder des traditionellen, allgemein bekannten
Typs wurde bis zu diesem Punkt beschrieben.
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Das
bestimmende Merkmal der vorliegenden Erfindung wird von zwei Grundfaktoren
gebildet, d.h.:
- A) – Der erste Faktor ist durch
die Gegenwart des zylindrischen Behälterelements mit seinen Seitenwänden gegeben,
die mit einer Vielzahl von elastischen Rippen 4 vorgesehen
sind, die vorzugsweise koaxial mit der gemeinsamen Achse des Kolbens und
auf entsprechenden Ebenen angeordnet sind, die orthogonal zur gemeinsamen Achse „A" des Kolbens angeordnet
sind.
Mit anderen Worten, was hier beschrieben und verwendet
ist, ist ein elastisches balgähnliches Element,
in dem einer der kreisförmigen
Ränder 15 dieses
balgähnlichen
Elements mit der kreisförmigen
Wand 11 hermetisch abgeschlossen in Eingriff steht, während der
gegenüberliegende Rand 16 unter
Verwendung von Einrichtungen, die in der Technik im Allgemeinen
bekannt sind, am äußeren Teil 31 der
Stange 3 hermetisch abgeschlossen im Eingriff steht, wie
dies aus den 1 und 2 am besten
gesehen werden kann.
Der erste Faktor ist somit vorgesehen,
um sicherzustellen, dass eine definierte Menge an Gas immer im Inneren
eines elastischen Behälters (Balgs),
ungeachtet des Drucks, der auf das Gas ausgeübt wird, erhalten bleibt.
- B) – Der
zweite Faktor bezieht sich auf die hermetisch abgeschlossene Dichtung,
die normalerweise zwischen dem Stangen-Kolben-Aufbau und dem zylindrischen
Gehäuse
gefordert wird; tatsächlich
ist bei der vorliegenden Erfindung eine hermetisch abgeschlossene
Dichtung nicht erforderlich: Ganz im Gegenteil, bei der Erfindung,
um ihre Funktion zu gewährleisten,
wird ein relativ freier Durchgang des Gases zwischen dem hohlen
Raum oder dem Zwischenraum 17, der zwischen dem balgähnlichen
Element und der Seitenwand des Gehäuses vorgesehen ist, und der Kammer 14 benötigt.
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Solch
ein Durchgang des Gases kann in den nicht abgedichteten Zwischenräumen zwischen
dem Schaft-Kolben-Aufbau und dem zylindrischen Gehäuse stattfinden,
aber vorzugsweise durch einen oder mehrere Durchgänge 19,
die in der Wand des zylindrischen Gehäuses 1 vorgesehen
sind. Bei einer bevorzugten Art sind diese Durchgänge in der
Zone der Wand des Gehäuses
vorgesehen, die an die erste kreisförmige Wand angrenzt, sowie
um der Kammer zu ermöglichen,
komplett geleert zu werden, wenn der Kolben vollständig zusammengedrückt wird.
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Daraus
ist deutlich ersichtlich, dass eine solche zweite Anforderung im
völligem
Widerspruch, d.h. diametral entgegengesetzt zur allgemeinen Praxis
nach dem Stand der Technik steht, die tatsächlich die größtmögliche Dichtungswirkung
erfordert, oder mit anderen Worten ausgedrückt, einen minimalen Verlust
oder Leckage zwischen der Kolbenwand und dem korrespondierenden
Zylinder erfordert.
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Bei
diesem Punkt kann aus der Betriebsweise und der Betriebsart der
Erfindung bestimmt und leicht folgendes gefolgert werden: Wenn die
Stange von einer ungefähr
parallel zur Achse „A" gerichteten Kraft
gedrückt
wird, bewegt sich der Kolben in das Innere des zylindrischen Gehäuses und
reduziert dadurch oder annulliert möglicherweise sogar dabei das
innere Volumen der Kammer 14, während das darin enthaltene
Gas ausgetrieben wird und in den hohlen Zwischenraum 17 übertragen
wird, indem es unter Druck bleibt und fähig ist, seine elastische Kraftwirkung
durch Wirken sowohl auf die Innenseite 32 des ebenen Teils 31 als
auch auf eine korrespondierende Rippe des balgähnlichen Elements auszuüben, das
mit der Innenseite 32 im Kontakt steht.
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Es
kann deshalb, im Gegensatz zu den Vorgängen, die in herkömmlichen
Gasfedern stattfinden, bemerkt werden, dass das Gas, das in diesem
Fall vom Kolben in der Kammer 14 komprimiert wird, nur einen
Teil der gesamten elastischen Kraft bildet, die von der beschriebenen
Feder erzeugt wird.
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Die
Vorteile der vorliegenden Erfindung können deshalb leicht gefolgert
werden: Tatsächlich
bedarf es keiner hermetisch abgeschlossenen Dichtung, d.h. einem
Dichtungsring, der vorgesehen werden muss; Kontaktoberflächen zwischen
dem Kolben und dem Zylinder sind hermetisch abgeschlossen, so dass
jede Kontaminierungsgefahr von außen praktisch vermieden wird;
zudem können
diese Federn sogar auf hohe Drücke
vorgespannt werden, ohne irgendeiner Gefahr für die Ladung, dass sie allmählich gelöst wird
und dadurch die Funktion der Feder reduziert und/oder sogar aufhebt.
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Schließlich ist
es gerade dank der Abwesenheit der Dichtungsringeinrichtung möglich, die
Feder Drücken
oder Kräften
auszusetzen, die nicht genau axial, sondern sogar aus leicht geneigten
Richtungen übertragen
werden können,
da die Abwesenheit der hermetisch abgeschlossenen Dichtungsringe
keine streng axiale Richtung der Kräfte erfordert; in der Tat basiert
das Grundmerkmal der Erfindung auf der folgenden Tatsache, während die
Praxis nach dem Stand der Technik eine doppelte Funktion ausführt, d.h.:
- – Reduzieren
des Gasvolumens und
- – Sicherstellen
der Undurchlässigkeit
der Kammer unter Druck mit Hilfe des Dichtungsringes.
dass
erfindungsgemäß diese
zwei Funktionen miteinander verbunden sind und durch zwei verschiedene
Komponenten, die zueinander nicht ähnlich sind, sichergestellt
werden, d.h.: - – der Kolben, dessen Funktion
beim Herabsenken des Kolbens eine führende Funktion ist und seinerseits
eine Reduzierung des Gasvolumens und dadurch einen korrespondierenden
Anstieg des Drucks zur Folge hat (beim Betrachten der 1, kann
tatsächlich
bemerkt werden, dass das Gasvolumen nicht nur durch das Volumen
der Kammer 14 reduziert wird, sondern auch durch das Volumen
der Kammer 44, die als das Volumen definiert ist, das zwischen
dem Balg 4, der Stange 3 in seinem aus de Gehäuse 1 herausragenden
Teil und der Innenseite 32 des ebenen Teils 31 umfasst
wird);
- – dem
hermetisch abgeschlossenen balgähnlichen
Element, welches den Teil mit variablem Volumen der Kammern 14 und 44 enthält.
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Mit
Bezug zu den 3 und 4 wird eine Variante
der vorliegenden Erfindung nun dargestellt und beschrieben, die
sich von den vorher beschriebenen dadurch unterscheidet, dass das
balgähnliche Element
von einer einzigen Rippe 18 gebildet wird und der Kolben
mit einem Hohlraum 20 vorgesehen ist, der gegen die Kammer 14 geöffnet ist
und der teilweise im Inneren der Stange 3 vorgesehen ist.
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Solch
ein Aufbau weist die Vorteile einer deutlichen Einfachheit auf und
senkt außerdem
noch sowohl die Konstruktions- als auch die Herstellungskosten.
Darüber
hinaus erlaubt der Hohlraum 20 für die Charakteristika der Gasfeder
innerhalb breiterer Bandbreiten definiert zu werden, ohne dabei
einen übermäßigen oder
beträchtlichen
Anstieg bei den äußeren Abmessungen
der einzelnen Rippe zu implizieren.
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Auch
ist in diesem Fall die Kammer 44, die als das Volumen definiert
ist, das zwischen dem balgähnlichen
Element mit der einzelnen Rippe 18, der Stange 3 in
sei nem aus dem Gehäuse 1 herausragenden
Teil und der Innenseite 32 des ebenen Teils 31 umfasst
wird, beinahe vollständig
annulliert, gleichzeitig wird das Volumen der Kammer 14 durch das
vollständige
Herabsenken des Kolbens auf Null reduziert, wie aus einem Vergleich
der beiden 3 und 4 miteinander
leicht bemerkt werden kann.
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Eine
nützliche
Verbesserung kann vorteilhaft durch Inbetrachtziehen der Tatsache
erreicht werden, dass ein hoher Druck, der im Inneren des balgähnlichen
Elements übertragen
wird, wegen dessen Elastizität
leicht zu dessen Verformung nach außen führen kann und das Risiko eines
Defekts erhöhen kann
und auf jeden Fall einen Anstieg bei den äußeren Abmessungen zur Folge
hat.
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Um
solche Nachteile zu eliminieren, kann der Deformation nach außen durch
das Schließen
an den Bauchzonen der Rippen mit einer Vielzahl von nicht-elastischen
Ringen 22 entgegengewirkt werden, so dass die Ringe das
Anschwellen des balgähnlichen
Elements effektiv verhindern, und dadurch die anfängliche
Breite davon, wie in den 1 und 2 gezeigt
ist, im Wesentlichen beibehalten.
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Eine
Variante der obigen Lösung
kann in der dargestellten 2B gesehen
werden, die ein starres Element 23 zeigt, das im Wesentlichen
extern an das balgähnlichen
Element gekoppelt ist, so dass die äußeren Ränder der betreffenden Rippen
am Auseinandergehen gehindert werden und deshalb die gleichen Ergebnisse
wie im oben beschriebenen Fall erhalten werden, in dem die Ringe 22 im
Gegenteil für solch
einen Zweck verwendet werden.
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Mit
Bezug zu den 5, 6, 7 und 8 kann
die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen als implementierbar
betrachtet werden; in diesem Fall ist das Innere des Kolbens mit
einem Hohlraum 25 vorgesehen, der sich gegen die Kammer öffnet und
sich weiter in das Innere der Stange 3 erstreckt.
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Die
Einrichtungen, die vorgesehen sind, um die hermetische Abdichtung,
d.h. die Undurchlässigkeit
gegen die Außenseite
der Druckkammer oder eines Teils davon sicherstellen, umfassen ein
im wesentlichen zylindrisches, elastisches Behälterelement, welches vollständig im
Inneren der Kammer und im Inneren des innerhalb der Stange und des
zugehörigen
Kolbens befindlichen Hohlraums 25 angeordnet ist, wobei
die Seitenoberfläche
des Behälterelements
mit einer Vielzahl von elastischen Rippen 26 vorgesehen
ist, die orthogonal zur Bewegungsrichtung des Kolbens angeordnet
sind, in dem der eine Rand des gerippten Behälterelements hermetisch gegen
die Innenfläche 28 der
Stange 3 abgedichtet ist, wohingegen der gegenüberliegende
Rand gegen die erste kreisförmige
Wand 11 abgedichtet ist.
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Aus
Gründen
einer noch größeren Klarheit und
insbesondere mit Bezug auf die 5 und 7 ist
der Hohlraum 25 als der gesamte innerhalb der Stange und
des Kolbens angeordnete Hohlraum definiert und umfasst sowohl
- – den
Abschnitt 25A, der zwischen den Rippen 26 des
elastischen Elements und der Außenwand der
Stange 3 und des zugehörigen
Kolbens umfasst ist, und der in den 5 und 7 als
eine mit kleinen Kreuzchen markierte Fläche dargestellt ist,
- – als
auch den Abschnitt 25B innerhalb der Rippen 26 und
der in den gleichen 5 und 7 als eine
gepunktete Fläche
dargestellt ist.
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Verglichen
mit der früher
beschriebenen Ausführungsform
weist diese Ausführungsform
den Vorteil auf, dass tatsächlich
kein Bedarf an Elementen besteht, die vorgesehen werden müssen, um
das Anschwellen der Bälge
nach außen
zurückzuhalten, genauso
wie eine größere Kompaktheit.
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Sogar
in diesem Fall besteht sowieso die Möglichkeit, ein internes balgähnliches
Element mit einer einzelnen Rippe 29 zu verwenden, wie
es in den 7 und 8 dargestellt
ist, und wie es für den
Fachmann leicht zu verstehen ist, so dass in dieser Beziehung keine
weiteren Erklärungen
mehr nötig
sind.